（理论物理专业论文）活动星系核的喷流进动.pdf

摘要 活动星系核研究领域是天文学最活跃的分支之一，本文对活动星系核喷流的 进动做了一点探讨。着重论述了单黑洞一吸积盘进动模型或盘致进动模型；提出 两个关系，即进动周期一绝对星等的关系和黑洞质量一进动锥角的关系；并对盘 致黑洞进动和双黑洞之测地进动做了适当的比较，意在查看在一定的情况下，哪 一种进动模型起主要作用 第一章是绪论部分，首先介绍课题背景，然后介绍跟本课题有关的基本概念 和基础知识。最后，试介绍进动物理方面的基本知识，以进动机制分类对进动做 了总结 第二章首先介绍盘致进动模型的背景、思想和理论公式的推导，并对临界半 径的尺度以及与其它物理量的关系闯题做了适当的讨论。然后，利用观测数据对 盘致进动模型进行了验证。接着，讨论了黑洞质量对盘致进动模型的影响。最后， 从观测和理论两个角度对弥散做了初步的分析。 第三章主要讨论进动锥角的问题。由观测数据发现黑洞质量与进动锥角是有 关系的，文章试给出理论解释。并对进动锥角是否有独立性做了一点讨论。 第四章总结了各种进动模型。本章以进动模型分类，分别对各种进动做了总 结。然后，从进动快慢的角度，对单黑洞一吸积盘的进动和双黑洞的测地进动做 了比较。 第五章展望对黑洞作实心球体处理的疑问及对短周期的一点看法。 关键词：盘致进动；周期与锥角；黑洞质量 a b s t r a c t t h es t u d yo fa c t i v eg a l a c t i cn u c l e i ( a g 蛳i s0 1 1 eo ft h em o s ta c t i v eb r a n e l a e si n t h ef i e l do fa s t r o p h y s i c s t h i st h e s i sg i v e sai n v e s t i g a t i o no nt h ej e tp r e c e s s i o no f a g n t h es i n g l eb l a c kh o l e - a c c r e t i o nd i s k p r e c e s s i o nm o d e lo f d i s k - d r i v e r , p r e c e s s i o nm o d e li sd i s c u s s e dc a r e f u l l y ；t w oe o r r e l a t i o mh a v eb e e nr a i s e da n d s u s t a i n e db yo b s e r v a t i o n a lv a l u e s , w h i e l aa 陀p r e c e s s i o np e r i o d a b s o l u t em a g n i t u d e c o r r e l a t i o n 柚db l a c kl a o l c m a s s p r e c e s s i o nc o l i cs e m i a n g l ec o r r e l a t i o n ；a c o m p a r i s o nb e t w e e nd i s k - d r i v e nb l a c kh o l ep r e c e s s i o na n dg e o d e t i cp r e c e s s i o no f b i n a r yb l a c kh o l 船h a sb e e np e r f o r m e dt oc l a e e kw h i c hm o d e lp l a y st h el e a d i n gr o l ei n c c r t a i l lc j 函h n s t a n c e s i nt h e b c g i n i n g o ft h e m a t i c b a e k g r o t m d i n t e r r e l a t e d b a s i cw o r d sa n d f u n d a m e n t a li n i n e i p l ca r ci n t r o d u c e di nt l a ef i r s te l a a p t e r f i n a l l y , p h y s i c sa b o u t p r e e e s s i o r , s o r t e db yp r e c e s s i o nm e c h a n i s m 娥p r e s e n t e dc l 疵味 i nt h es e c o n dc h a p t e r , f i r s t , t h eb a e k g r o t m d , t h ei d e aa n dt h ef o r m u l ad e r i v a t i o n o ft h ed i s k - d r i v e np r e c e s s i o nm o d e l 御i n t r o d u c e d a n ds o i i i ep r o b l e m so nt h es c a l e o fc r i t i c a lr a d i u sa n dr e l a t i o nw i t ho t h e rp a r a m e t e r sa 托d i s c u s s e da p t l y s e c o n d at e s t 谢t 1 1o b s e r v a t i o n a lv a l u e s0 1 1t h ed i s k - d r i v e np r e c e s s i o nm o d e li sd o n e t h e n , t h e i m p a c to fb l a c kh o l e 丑峪s e s0 1 1 1d i s k - d r i v e np r e c e s s i o nm o d e li sd i s c u s s e d f i n a l l y , f r o mt w ov i e w so fo b s e r v a t i o na n dt h e o r y , t h ed i s p e r s i o ni sa n a l y z e dp r i m a r i l y i nt h e 也i 以c h a p t e r , p r e c e s s i o nc o l i cs e m i a n g l ei sd i s c u s s e d w r ef o u n df r o m o b s e r v a t i o n a ld a t at h a tl t l e r oi sae o r r e l a t i 0 1 1b c t w c c l lt h eb l a c kh o l en 啵粕d p r e c e s s i o nc o n cs e m i - a n g l e ，w ct r yt oe x p l a i ni tt l a e o r e t i e a l l y t h e n , ts i m p l e d i s c u s s i o n0 1 1s o l i t a r yp r e c e s s i o nc 0 1 1 1 1 s e m i a n g l ef o l l o w s i nt h e f o u r t hc h a p t e r , d i f f e r e n tp r e e e s s i o ms o r t e db ，t l a cm o d e l sh a v e 溉 s u m m a r i z e d t h e n , i nt h ev i e wo ft h ep r e c e s s i o ns p e e d , ac o m p a r i s o ni sp e r f o r m e d b c t w c e l ld i s k - d r i v e np r e c e s s i o nm o d e la n dg e o d e t i cp r e c e s s i o no fb i n a r yb l a c kh o l e s m o d e l i nt h ef i f t hc h a p t e r , f i r s t , r e g a r d i n gb l a c kh o l ea ss o l i ds t , h e r ei sd o u b t e d s e c o n d , ab r i e f v i e wi sg i v e na b o u ts h o r tp e r i o d p r e c e s s i o n k 呵w o r d s ：d i s k - d r i v e np r e c e s s i o n ；p e r i o da n dc 0 1 1 ca n g l e ；b l a c kh o l em a s s 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 2 卯 年莎月伸 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 奶 ( 请在以上相应括号内打“4 一) 作者躲粥独 导师签名：专蟛卜喃 日期：土钾碑易月f fe 1 日期：驴户7 年矽月f1 日 厦门大学博士学位论文 第一章绪论 这部分内容首先介绍课题背景，然后介绍跟本课题有关的基本概念以及天文 和物理特别是关于进动的基础知识。 1 1 课题背景 天文工作者经常观测到呈s 形或z 形喷流，特别是大尺度的河外喷流，参考 图1 1 1 。 j ：一j 一- i i o , o i 图1 1 1 活动星系核2 3 0 0 1 8 9 ( 取自h u n s t e a d , r w ，e ta 1 1 9 8 4 ) 人们用进动机制来解释这种喷流弯曲现象。19 8 0 年b e g e l m a ne ta 1 提出双黑 洞进动模型；直至今日，诸多文章借用这种模型解释喷流进动，并且又做了发展， 一o口譬：墨lt菩 第章绪论 其中一种观点认为是次黑洞驱动主黑洞进动，另一种观点认为是驱动主黑洞的吸 积盘进动；前者主要采用测地进动机制一纯相对论效应进动；后者既有牛顿进动 的概念，又加入了后牛顿的知识；并且，近年来，许多作者用盘进动模型来解释 光变( 1 i g h tc u r v e ) 或闪( f l a r e ) 现象。虽然光变或闪的周期很短( 比如1 0 年) ， 但是，这些作者仍然认为，光变或闪现象是由喷流或盘的进动造成的，即喷流或 盘的进动周期就是观测到的光变或闪的周期。 1 9 9 0 年l u 又提出活动星系核的单黑洞一吸积盘进动模型，关于这种模型本 文第二章将详细叙述。 1 2a g n ( 活动星系核) 简介 利用造父变星的周光关系测量天体的距离是今天人们熟悉的方法。1 9 2 4 年， 美国天文学家哈勃( e d w i nh u b b l e ，1 8 8 9 - 1 9 5 3 ) 首先使用了这个方法测出了我们 银河系的近邻一仙女座大星云m 3 1 、m 3 3 和n g c6 8 2 2 的距离，确认三者是银河系 以外的星系。人们从此开始了研究河外星系的新纪元。二战后期，射电天文兴起， 天文学家应用了新的测光技术又相继发现了一系列有激烈活动的河外天体，如赛 弗特星系( s e y f e r tg a l a x y ) 、n 星系、类星体、b ll 天体和射电星系等( 许梅 2 0 0 2 ) 。这些河外天体后来都泛称为活动星系核( a c t i v eg a l a c t i cn u c l e u s ，缩 写为a g n ) 现根据黄克谅著 ：类星体与活动星系核把a g n 的主要观测特征和分类简要 地总结如下。 a g n 的主要观测特征： 1 ) 明亮的致密核区，从中发射出巨大的能量，光度在1 0 4 3 - 一1 0 4 s e r gs 1 ( 太阳的光度是1 0 3 3 e r g8 - 1 ) ，比正常星系高得多；且致密核的尺度 很小，一般认为小于0 1 p c 。 2 )在某些波段存在非热连续辐射，并为幂律谱，且辐射是偏振的。 3 ) 存在强的原子和离子发射线。 4 ) 连续辐射的强度，发射线的强度、轮廓、偏振等可能随时间变化。 5 )具有比正常星系更强的发射高能光子的能力。 2 厦门大学博士学位论文 当然不是所有a g n 同时具有上面所有特征，有的天体如类星体( q u a s a r ) ， 具有上面所有特征，是活动性最强的a g n ：但更多的a g n 则只具有上面部分特 征。 天文学家们根据a g n 的不同观测特征，已经将a g n 做了分类。 s e y f 谴系：具有低光度、大量高电离发射线等特征；又分两个次型， s e ，佩i ，具有窄线和宽线；s e y f 硪i ，只有窄线。 类星体：多数形状类星，具有大红移、高光度、光变、强发射线等特征 射电星系；射电光度通常大于1 0 4 1 c r gs 1 ；射电形态有致密型、双瓣型和 头尾型，经常能看到喷流从光学星系中心连接到射电瓣；谱为幂律谱， 谱指数一般在0 5 - 1 之间，有偏振。 低电离核发射线区( l 嗽) ：有低光度核，光谱中低电离线很强，而 高电离线观测不到。 b l a z a r ：是b ll a c 天体和光学激变星系o w s 的总称；有快速光变等特征。 上面只是粗略地分类，a g n 当然还有其它类型和观测特征 1 3k e r r 黑洞 本段内容主要参考了俞允强著广义相对论引论和王永久著广义相对 论和宇宙学 黑洞被分为几种，不自转不带电的为s c h w a r z s c h i l d 黑洞；有自转不带电的为 k e r r 黑洞；如果带电还有其它黑洞。我们最关心的是k e n 黑洞，其自转对吸积 和进动都有决定性影响 s c h w a r z s c h i l d 解是球对称无转动的场源的引力场，是非常特殊的情况但 是各种天体都具有角动量，所以，一般的引力塌缩不可能是完全球对称的 不带电的k e r r 黑洞只含有两个物理量一质量和角动量( 或比角动量) ，这两 个量是各自独立的，在研究进动的时候是必须考虑而不能替换的。 1 9 6 2 年k e r r 给出真空场方程的一个轴对称解，它的不变线元公式或k e r r 度规为 第一章绪论 d s 2 孬a ( 出一口咖2 砌力2 + s i 吼n 2 ：0 l - 、- r 2 + 口2 ) d 缈- a d t 2 + 詈d ，2 + 弧2 d 秒2 ， 其中 奎r 2 2 g m r + a 2 9 t 2 量r 2 + 口2 c o s 2 0 g 是引力常数，上面度规中所含的光速c 已经设为i ，计算时如需要具体数值可 根据量纲加入c ，肘为l 缸黑洞质量。k e r r 度规还可写为 以( 卜r 2 + 撕a 2c o s 20 ) 以等等以r + a 2 c o s 20 ) d 矿 一 ( ，2 + 口2 ) 曲+ 笔蒜卜兰甓踟缈 上面度规所含的g 和c 都设为1 了；k e r r 度规描述的是转动的引力源的引力场。 k e r r 黑洞的外视界面坐标为 l = a m + 4 c 2 m 2 一a 2 ， 所以视界面存在的条件是g 2 m 2 a 2 ，即无量纲的比角动量( 即单位质量的角动 量) 口1 ，这说明k e r r 黑洞的自转不能无限地快，k e r r 黑洞的角动量有个上限 瑶= g m 2 关于黑洞还有一个面积不减定理，它的一般证明是霍金( h a w k i n g ) 于1 9 7 2 年给出的。黑洞合并或吸入物质是可以的，而黑洞分裂是不可能的，喷流不是直 接从黑洞喷出的。 1 4 吸积盘 ( 这部分内容主要参考文献f r a n ke ta 1 2 0 0 2 ；李启斌等1 9 9 6 ；卢炬甫2 0 0 1 ； 林一清2 0 0 4 ) 1 9 世纪，人们以为太阳发出的能量是由引力能提供的， = 警 4 厦门大学博士学位论文 但是，利用上式经过计算之后发现，按照太阳的光度、质量和几何尺度，太阳的 寿命只能有1 0 7 年，远远短于太阳的现在的年龄，所以，引力能不可能是太阳 的主要能量来源。后来，在e i n s t e i n 发现质能关系之后，人们求诸核能才基本解 决了太阳及恒星的能量来源问题。 但是，2 0 世纪6 0 年代，人们发现核反应远远不足以给宇宙中的高能天体提 供能量。比如，明亮的类星体的典型光度为l o 7e 唱s - l ，如果是由热核反应提供 能量的话，每年大约有2 5 0 m o 的氢被燃烧掉。以这个速率，一个质量大约为 1 0 m e 的普通星系至多可以维持1 0 9 年，即1 0 亿年，比太阳的年龄还要小，更 远远短于宇宙的年龄，这当然是不对的 人们开始考虑把引力能作为高能天体的能量来源。由上面方程可以看出，要 把引力能作为高能天体的能量来源，就要求天体必须具有大质量小尺度的特性。 而早在这之前，人们就已经理论预言存在这样的天体 1 9 3 0 年钱德拉塞卡( c h a n d r a s e k h a r ) 用电子简并压来平衡自引力，完成了自 矮星的理论模型，求得其质量小于1 4 m o ，成功地解释了之前对白矮星的观测现 象；1 9 3 4 年巴德( b a a d e ) 和兹维基( z w i c k y ) 理论预言中子星的存在，1 9 3 9 年奥本海默( o p p e n h e i m e r ) 和沃尔科夫( v o l k o f f ) 用中子简并压来平衡自引力， 完成了中子星的理论模型，其质量约在2 3m o ；1 9 6 7 年惠勒( w h e e l e r ) 将广 义相对论预言的塌缩天体一引力塌缩到中子简并无法支持后形成的天体一命名 为黑洞( b l a c kh o l e ) ，其质量范围极大。( 李宗伟肖兴华2 0 0 0 ) 1 9 6 7 年发现脉冲星，并立即确认是中子星中子星的发现让科学家们兴奋不 已，因为除白矮星外又一个具有大质量小尺度的特性的天体被证实。而这种特性 是高效的释放引力能所必须的由上式可以看出，这时引力能的释放效率则远远 大于核能的释放效率了。所以人们开始重新认识引力能，把引力能看作各种致密 天体的重要能量来源。 当然，接下来必须解决的问题就是引力能是如何释放的人们启用吸积这个 概念，即天体由于引力作用而吸引和积聚周围气体、尘埃等物质的过程关于吸 积盘如何形成本文略去19 6 9 年l y n d e n - b e h 首次使用吸积盘理论解释了类星体 的能源机制问题，这一开创性的工作为解释天文中大量观测现象提供了一种强有 力的依据从位形研究到能源机制的研究是一个重要的飞跃。随后吸积盘理论在 5 第一章绪论 x 射线双星、激变双星、星系核、类星体、黑洞物理等方面得到了广泛的应用。 随着吸积盘理论的发展，迄今已经被公认的吸积盘模型有四种。 后文将要介绍的关于进动周期与绝对星等关系的工作要用到吸积盘的模型 之一一标准盘模型，所以这里把吸积盘模型做一个概述，其中重点介绍标准盘模 型。 1 4 1 标准薄盘 吸积盘的建立和发展总是被盘中的粘滞性问题所困扰。一般认为，吸积流 体内部的粘滞作用造成角动量的向外转移和物质的向内运动，同时将引力能转变 为热能，再转变为辐射。这是吸积盘中最主要的物理图像。较容易想到的粘滞的 具体物理机制可能是湍流和无序磁场，但对这两种机制都很难做精确描述。1 9 7 3 年s h a k u r a & s u n y a e v 回避了对粘滞过程的具体研究，而引入了一个口参数去描 写粘滞。他们改进的这种模型的吸积盘后来被称为标准薄盘，或简称为s s d ( s h a k u r a - s u n y a e vd i s k ) 。s s d 标志着现代吸积理论的诞生。 标准薄盘的特性总结如下： 引力场完全由中心天体决定，吸积物质的自引力可忽略； 吸积流是定常态和轴对称的； 没有宏观尺度的磁场； 吸积流是几何薄的，即垂向几何厚度日与到中心天体的距离，之比处处都 远小于1 ，即兰l ； ， 吸积物质所受的引力与惯性离心力平衡，即转动是k e p l e r 的， ；r 监、l ，两由粘滞造成的径向内移速度v r 远小于转动速度，哆； ， 吸积流在垂向上处于流体静力学平衡状态。 吸积流是光学厚的，主要的能量转移和冷却机制是辐射。 粘滞应力张量的唯一非零分量是k ，其大小正比于吸积流中的总压强p ， 即= - a p 正是由于比例常数口的引入，s s d 又被称为口盘。 一般说来，吸积流应当有三维空间结构和含时行为但有了上述假定，吸 6 厦门大学博士学位论文 积流动力学就简化为径向一维问题，运用质量、动量、能量守恒定律所写出的是 代数方程和常微分方程。给定边界条件( 通常取吸积流内边界上粘滞力矩为零) ， 常微分方程页被积分为代数方程。补充了吸积流的物态方程和不透明度式后，就 得到一组完备的代数方程 一ng - - , q m 2 g - t ) ； 由于技术原因( 例如，总压强中气体压与温度成正比，而辐射压与温度的4 次方成正比) ，对这组方程仍难以求得解析解。于是，s s d 模型又人为地将吸积 流划分为三个区，即外区( 压强以气体压为主，不透明度机制以自由一自由吸收 为主) 、中区( 与外区不同的只是不透明度主要由电子散射贡献) 和内区( 与中 区不同的是压强以辐射压为主) ，从而分别求出各区结构，即几个厚度日、密度 p 、面密度z 、中心面温度乏、径向速度q 、垂向光学厚度f 对三个给定参量( 中 心天体质量膨、吸积率庸、粘滞常数口) 和自变量厂的依赖关系的解析表达式 需要注意的是在解u ，时需要用到代数式髓= 2 万r z o r ，移，方向向里 s s d 外区的解是： x = 5 。2 a - 4 s 嘲蛩碱i 喀产sg c a n - 2 7 第一章绪论 h = i 7xl0 3 口1 ，1 0 朋。1 3 6 矸，3 ，i 9 0 8 f , 巧c t n ， p = 3 1 xlo a , - 7 1 1 0 磁：脚硝腭右纠s f 川5gc m - 3 ， 互= 1 4 x 1 0 4 口叫巧 硭旧耐h 右h f 酣5k ， f = 1 9 0 a 州5 础5 f 引5 ， v = 1 8 x 1 0 1 4 口引5 硭m 听4 f 吖5c i n 28 - 1 ， q = 2 7 x 1 0 口 5 。历a 1 列6 m 听4 右“f 删5t i n s - 1 ， 蜥= 1 - ( 训 s s d 模型用来解释激变变星非常成功( p r i n g j e1 9 8 1 ) 。而且，吸积盘的存在 也正是在激变变星系统中得到了直接的观测证实。 但是，在成功之后，s s d 模型又暴露出其严重的不足。只从观测角度讲就 有一个明显而尖锐的问题。双星中s s d 的表面温度一般在i o 1 0 5 k 之间， 最高也不过约1 0 7 k ( 1k e v ) ，因而不足以产生x 射线双星的硬x 射线和7 射线 辐射。活动星系核中若也是s s d ，则温度更低，因为有2 o cm q “廊4 这样的依 赖关系( 这里而= 砀m = ，矗蹦是眦缈咂吸积率) 我们的单黑洞盘致进动模 型，后面将要谈到，采用的正是s s d ，但是我们主要是针对盘的临界半径以外的 区域，而盘的临界半径以外的区域远离中心黑洞，温度比较低是合理的，所以我 们采用s s d 的结果是理论和实际符合的很好。 1 4 2 s h a p i r o - l i g h t m a n - e a r d l e y ( s l e ) 盘 s s d 的温度不够高，人们为了提高温度就把s s d 的光学厚假定改为光学薄， 于是就有了这第二种吸积盘模型。 1 9 7 5 年t h o m e 和p r i c e 建议，如果吸积盘内部区域是由光学薄的高温( 电 子温度瓦* 1 0 9 k ) 气体组成，则能产生观测到的硬辐射。s h a p i r o 、l i g h t m a n 和 e a r d l e y 随即于1 9 7 6 年提出了一个自洽的黑洞吸积模型，它与s s d 模型的主要 厦门大学博士学位论文 差别是假定吸积流为光学薄，因而压强以气体压为主，而且离子与电子有不同的 温度( 离子温度互可高达1 0 1 2 k ) ，主要的辐射冷却机制是电子与软光子碰撞的逆 c o m p t o n 散射。这种盘倒是能给出x 射线和软7 射线波段的幂律谱，与一些黑 洞x 射线源( 处于低态时) 和一些活动星系核的观测谱相符 但是，s l e 盘的致命弱点是它的热不稳定性，因而，就不大可能在自然界 真是存在尽管如此，不少学者仍然不愿意放弃它直到2 0 世纪9 0 年代，还有 人试图建立一种吸积盘整体模型，即盘的外部是s s d ，内部是s l e 盘这种盘 就必定有一个由光厚到光薄的过渡区( f 1 ) ，由于这个区域等离子体的辐射转 移方程很难解，他们还想出了一种唯象处理方法，即用一套桥梁公式( b r i d g i n g f o r m u l a e ) 来连接光厚与光薄区这套公式后来倒是被研究径移主导吸积流的学 者用上了 1 4 3 细( s l i m ) 盘 细盘是2 0 世纪8 0 年代后期才建立起来的s s d 的内区既是热不稳定的也 是粘滞不稳定的，可以设想强大的辐射压会使盘内区在垂向上膨胀变厚，而且 大部分粘滞产热保存在吸积流中，形成一股径向内移的热流( a d v e c t i o n ) 这股 热流带走s s d 内区过剩的热量，从而消除该区的不稳定性( a b r a m o w i c z1 9 8 1 ， 使盘不会在垂向上无限膨胀，而是在某一固定厚度稳定下来。这时的盘不再是几 何薄的，而是类球形的，即日，1 几何厚且光学厚的盘辐射冷却效率很低，径移是其主要冷却机制，因为辐 射被物质阻碍而难以转移到盘面上散发，只得被物质捕获，并一起沿径向落入黑 洞，径移的能量与粘滞产热之比不小于( v r ) 2 ( a b r a m o w i c z ，l a s o t a & x u1 9 8 6 ) 这就要求盘中气体密度很大，因而吸积很高，甚至是超e d d i n g t o n 吸积( s i k o r a 1 9 8 1 ：m a d a u1 9 8 8 ) ，且吸积流是跨声速的( c h e n & t a a m1 9 9 3 ) 。这就是光学厚、 辐射压为主的径移主导吸积盘( 光厚a d a f ) 一s l i m 盘( a b r a m o w i e ze ta 1 1 9 8 8 ) s l i m 盘对于长波扰动是稳定的，而对于小尺度扰动是不稳定的( k a t o ，a b r a m o w i c z & c h e n1 9 9 6 ；w h & l i1 9 9 6 ) 另外；s l i m 盘的光谱特征也没有得到充分的研究， 它要求很高的吸积率却又因辐射效率低而不能相应地给出高光度( s s d 的光度则 与吸积率成正比) ，限制了s l i m 盘模型的实际应用，于是径移主导吸积盘模型在 9 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代后期成为研究热点。 1 4 4 径移主导吸积流( a d a f ) 1 9 9 4 - 1 9 9 5 年问，分别以n a r a y a n 和a b r a m o w i c z 为首的两组学者，在前人 a d a f 思想的基础上做了进一步的工作，并使之成为一个自洽的模型，而且在应 用上获得很大成功。说到径移冷却，另一种可能情况是吸积流仍是几何厚但却是 光学薄的，物质密度必定很低，因而也不能实现有效的辐射冷却，粘滞产生的热 使物质温度升的很高。由于密度低，离子与电子之间的热耦合也就很弱，电子会 由于各种辐射过程而降低温度，离子则保持极高温，形成双温状态，压强显然以 气体压( 更准确的说是离子压) 为主。另外，低密度也对应着低吸积率。所以这 些特征与s l e 盘都很相似，但根本不同的是，现在这种吸积流是稳定的，因为 径移的物质会有效地带走热能，粘滞产生的热不再会无限堆积。 a d a f 的基本假定中，有好几条同s l i m 盘的一样，即几何厚、非k e p l e r 转 动、垂向平衡、径移传热、以及口粘滞律，根本的不同在于a d a f 是光学薄的， 因而是高温( 双温) 和低吸积率的，主要的辐射机制是电子的轫致辐射、同步辐 射以及c o m p t o n 过程。a d a f 的辐射就应当是低光度的并有着很硬的幂律谱， 这正好与低光度活动星系核和低态( 硬态) x 射线源的观测特征相符。a d a f 模 型也就被用来很好地拟合了许多天体的观测谱，如s g r a * ( n a r a y a n1 9 9 5 ) 、n g c 4 2 5 8 ( l a s o t a1 9 9 6 ) 、软x 射线暂现源a 0 6 0 0 - 0 0 、v 4 0 4 c y g ( n a r a y a n1 9 9 6 ；n a r a y a n 1 9 9 7 ) 和g r o1 1 6 5 5 - 4 0 ( l a s o t a1 9 9 8 ) 等。 当然a d a f 模型并不能反映黑洞吸积流的全部，不能完全取代s s d 模型 例如，a d a f 适用于x 射线源的低态( 硬态) ，而那些源的高态( 软态) 仍需用 s s d 来解释；无论是寂静期或爆发期的软x 射线暂现源，都难以单独用a d a f 或s s d 来同时说明观测到的x 射线和光学一紫外辐射。因此，一个很自然的设 想是黑洞吸积流应分为两个区域，外区是s s d ，内区是a d a f 我们曾经采用a d a f 模型解释进动周期与绝对星等的关系，但结果很不理 想。因为我们的进动模型使用的径移速度t j ，是盘外区的，q 使用s s d 的q 是成 功的，而使用a d a f 的，是很不成功的，这至少从另外一个角度说明了吸积盘 的外盘应该使用s s d 模型。 i o 厦门大学博士学位论文 1 5 喷流 下面试介绍有关喷流的知识( 主要参考h a r r i s2 0 0 6 ) 。 现在认为河外喷流是从活动星系核中喷出的。第一个喷流是1 9 1 8 年在观测 室女星团( v n g oc l u s t e r ) 的椭圆星系m8 7 时发现的。一个奇怪的准直的光束 横卧在方位角2 0 4 处星云的缝隙中，此光束明显与中心的核通过一条暗弱的物 质相连劳( c u r t i s1 9 1 8 ) 那时，这种巨大的延展结构只是一个新奇事物，其本 质人们一无所知。直到6 0 年代，随着射电望远镜的发展，其角分辨率和灵敏度 不断提高，人们这才发现河外有很多星系都能观测到带有延展的射电喷射的结 构，这种结构包含中心核球、两侧的喷流、射电瓣。权威理论认为，喷流是在位 于活动星系核( a g n ) 中心的超大质量黑洞( s m b h ，质量范围：几百万倍一几 百亿倍太阳质量) 附近产生的( s a l p e t e r 的早期观点1 9 6 4 ) 喷流的动力来源很 可能是黑洞，喷流本身也可将能量、动量、角动量传输到遥远的宇宙空间 ( b l a n d f o r d & r e e s1 9 7 4 ，r e e s1 9 7 1 ，s c h e u e r1 9 7 4 ) 。 1 9 5 3 年发现了第一个河外射电源即c y g a 的双子源结构。后继的观测表明这 种结构是延展射电源的普遍现象。但在v l a 闯世之前，没有任何关于射电瓣与 母体星系之间物理联系的证据。7 0 年代末建立的v ia 清楚地显示了连接这两者 的细长物质条即喷流( 此前，m 8 7 、3 c 2 7 3 等个别源的光学喷流已经被看到) v i b i 发现的视超光速现象进一步提供了喷流物质高速运动的有力证据。v l b i 还揭示出喷流在致密射电源中的普遍存在( 李启斌等1 9 9 6 ) 。 人们对射电星系研究的几十年，但直到现在( 2 0 0 6 年) 为止还是观点不一， 没能够有一个权威的观点来解释喷流的构成、喷流形成、喷流的对齐等问题。除 了喷流的射电研究以外，随着哈勃望远镜( h s t ) 和钱德拉x 射线天文台( c x o ) 的相继问世，喷流的可见光和x 射线辐射也得以研究。因为喷流的射电、可见 光和x 射线的辐射是由喷流中的具有不同能量( 或l o r e n t z 因子y ) 的电子发射 的 1 5 1 喷流成份 某种程度上说，喷流是一种无耗散的流形传输结构，其中含有相对论性运动 第一章绪论 的粒子、磁场( 此二者都能控制能量) 和或p o y n t i n g 流。从功能上说，喷流中 的物质分为两种，一种使得能量得以从星系核中心传输到喷流远端以及射电瓣； 另一种物质是能够辐射出射电、可见光和x 射线的非热等离子体。有的的喷流 模型认为是一种物质行两种功能，我们认为喷流中有两种物质各司其职更好。 喷流的基本构成现在还不太清楚，对极化的射电辐射以及可见光辐射的观 测表明，至少有一些喷流的辐射是由磁场中旋转的相对论电子的同步辐射产生 的。虽然人们有直接的证据表明喷流中有等离子体辐射，但是，说喷流中有一种 物质能够把能量传输到喷流远端这一点不是完全确定的。喷流中的物质不可能完 全由相对论电子构成。假设喷流中最小磁场强度为3pg ，并且忽略i c 损失( 与 其关联的星光或类星体的光更能缩短相关电子的寿命) ，结果即使是y 大于等于 数千的电子，也不能纵贯整个喷流一从黑洞附件到喷流远端( h a r r i s & k r a w c z y n s l d2 0 0 6 ) 。 另外一种针对性的观点认为，喷流中的基本物质是p o y n t i n g 辐射流、y 1 0 0 0 的电子以及质子。此外，“中性喷流束”的概念已经被提出( e g a t o y a n d a l n c r 2 0 0 4 ) ，这一理论认为，喷流的方向是随时间变化的，以解释喷流的大尺 度的弯曲或离散喷流的偏离，例如3 c1 2 0 ，3 c3 9 0 3 实际的喷流可能是由几种 成份共同构成，或者喷流的不同部分由不同的物质构成的，例如，有许多喷流模 型坚持认为，喷流较近端是由电磁场主宰的，而传输到较远端就变成粒子主宰的 喷流了。 1 5 2 喷流的形成 直到现在为止，人们一直坚持喷流有两种形成机制由吸积着的超大质量黑 洞促发喷流形成之后，一种观点认为由吸入黑洞物质的引力能摧动喷流向外传 播；另一种是b l a n d f o r d - z n a j e k 机制( b l a n d f o r d & z n a j e k1 9 7 7 ) ，通过旋转黑洞 的旋转能摧动传播的；前者，喷流被促发可能纯粹是电磁效应( b l a n d f o r d1 9 7 6 ； l o v e l a c e1 9 7 6 ) ，或者是吸积盘最内区的磁流体动力学效应作用的结果( b l a n d f o r d & p a y n e1 9 8 2 ；a e g e l m a n , b l a n d f o r d & r e e s1 9 8 4 ；k o i d e ，s h i b a t a & k u d o h1 9 9 9 ) 在b l a n d f o r d - z n a j e k 机制中，黑洞在吸积盘的磁场中旋转，产生了p o y n t i n g 辐射 流。 1 2 厦门大学博士学位论文 喷流的形成机制会影响到其稳定性以及其光度变化的幅度和时标。喷流亦 是能量的释放过程，这一过程被认为是引起b l a z a r s 的x 射线和7 射线亮度大幅 度变化的原因( s p a d ae ta 1 2 0 0 1 ；t a n i h a t ae ta 1 2 0 0 3 ) 。 1 5 3 喷流横向结构 除了喷流中的物质及其运动速度的问题众口不一以外，对喷流横向结构的问 题也建立了多个模型。喷流的射电观测已经可以分辨出喷流的横向结构( 例如 s w a i n , b r i d l e b a u m1 9 9 8 ：l a i n g & b r i d l e2 0 0 4 ：l a r ac ta 1 2 0 0 4 ；p u s h k a r e ve ta 1 2 0 0 5 ) ，而且，观测和b l a z a r s 核辐射的理论模型( c h i a b e r g ee ta l2 0 0 0 ) 都表明， 喷流横向上存在速度梯度。最简单的模型使用的是双层结构，即喷流内层( 象脊 索一样) 运动较快，且带走大部分的能量，而喷流外层( 象鞘一样) 运动较慢， 此二层都具有t l 己的特征值r ( c h i a b e r g ee ta 1 2 0 0 0 ) 。l 蔚n g & b r i d l e ( 2 0 0 4 ) 假设从喷流内层到外层r 是渐进减小的，就好象喷流有很多层，每一层都有不同 的速度。如果喷流的层与层之间的速度相差很大，那么层中的粒子会遇到来自其 它层的相对论性加强的光子，结果增强了l c 辐射( g h i s e u m i , t a v e c c h i o c h i a b e r g e2 0 0 5 ) 现在已经提出了很多不同的喷流结构( 有些与k p c 尺度的喷流 相关) ，用以解释瞬时辐射和y 射线爆的余晖辐射( 例如，c g r a z i a n i ，d q l a m b & t q d o n a g h y , s u b m i t t e d ) 。 喷流的结构很可能是一种复合结构，这样才能解释观测数据。喷流的分层具 有不同的速度，在分层的边界处粒子可被加速( s t a w a r z & o s m ) w s k i2 0 0 2 ) ，而且， 喷流的分层在解决喷流的稳定性问题时尤其重要 1 5 4 喷流的传播 喷流是由很多结块( 局部亮度的加强) 构成的，关于这些结块的产生机制肯 定控制着结块的分布、亮度的强弱以及长时间的振荡( 会使结块消失) ，但产生 机制具体现在还不清楚。 对结块的解释之一是，相对论性喷流是喷流束因子变化的表现。相对论性喷 流束因子万依赖于r 和视角0 ( 在观测者看喷流轴与视线的交角) ： 8 - = f ( 1 - , b c o s d 1 3 第一章绪论 如果喷流物质沿直线运动即口固定不变，那么要使得万增加则必须增加r 。我们 能想出比较合理的办法来降低r ，但关键问题是要有办法增加r 以摆脱中心引 擎。这需要能量供给以使得总功耗减少而r 增加。s i k o r ae ta 1 ( 2 0 0 5 ) 讨论了这种 情况，但只是针对黑洞附近的情况。此外，有间接证据表明，喷流在p c 尺度上 是加速的( h a r d e e ，w a l k e r g 6 m e z2 0 0 5 ) ，而我们一般认为，不论是f ri 的喷 流( l a i n g b r i d l e2 0 0 2a ；f ri 的射电星系对比f r i i 和类星体具有较低的射电 光度，且在核周围又具有较亮的射电结构) 还是类星体的喷流( w a r d l e & a a r o n 1 9 9 7 ) ，在p c 到k p e 的尺度上是减速的；也确实没有任何迹象表明，在k p e 尺度 上有显著的喷流加速，这一点是i c 模型和x 射线发射所必须的。 在k p c 尺度上，喷流或沿着直线运动，或弯曲着运动，或喷流中的物质沿 着螺旋形的场运动。这些问题需要进一步的观测数据和理论分析。如果喷流是沿 着螺旋形的场运动的，那么，沿着喷流的亮度的变化就可以用喷流集束效应来解 释，且，有些高r 喷流模型的问题，比如超长喷流，也可以得到一定的解释。 b a h c a l le ta 1 ( 1 9 9 5 ) 对3 c2 7 3 ( 见图1 5 1 ) 螺旋形的喷流进行了较详细的讨论； 1 4 2 ：0 3 ：仪 5 e 踟黝o r _ 一 + 1 _ j 黜：o 渊 f 硼口叮j - = ：1 百蠢广毳_ 弋两赢巍1 亨r i 弱 再丁一1 曼堕丝塑塑堂世型 l 图1 5 13 c2 7 3 图 来i ! i h u b b l e 望远镜( h s t ) ( 图取l ! i h a r r i s2 0 0 6 ) 髓 昕 瓢 酎 (02固墓c暑口量蓉 厦门大学博士学位论文 而n a k a m u r a ，u c h i d a & h i r o s e ( 2 0 0 1 ) ，用扭转的a l v b n 波，作为控制大尺度喷流 结构的方法，来解释喷流从中心引擎向宇宙空间的连续运动。喷流呈现大尺度弯 曲的例子有很多