宇宙中的双黑洞

在星系形成的等级结构模型中,亚星系的结构先形成,之后再不断地通过并合形成越来越大的星系.伴随着星系的并合,星系中心的大质量黑洞也不断经历并合.在富气体星系的并合过程中,气体落入星系的中心,可能触发恒星的形成和黑洞的吸积.黑洞不断通过并合和气体吸积,从小到大形成现在观测到的在不同红移处的超大质量黑洞,因此,在星系的演化过程中,不同红移处必然存在很多大质量黑洞双体系统,甚至三体系统.本文将主要对宇宙中大质量双黑洞的观测和理论做一个简要的评述.美国升级后的激光干涉引力波天文台宣称首次直接探测到了引力波,该引力波源为几十倍太阳质量黑洞双星的并合.这么大质量的致密双黑洞是如何形成的?它们的并合率为什么这么高?本文也会简单提及恒星级双黑洞的形成和演化模型.     

射电宁静的活动星系核的光变研究进展

一部分星系的核区存在剧烈的非恒星活动起源的多波段电磁辐射,这类星系被称为活动星系,其核心称为活动星系核.一般认为,超大质量黑洞(其质量是数百万倍乃至数百亿倍太阳质量)通过其强大的引力吸积周围气体形成的吸积盘是活动星系核的中心引擎.理解这一物理过程和测量超大质量黑洞的物理参数,对认识强引力场下的磁流体物理、超大质量黑洞的宇宙增长历史和活动星系核的反馈以及宇宙大尺度结构形成有重要的意义.多波段连续谱的光变(即光度随时间的变化行为)是活动星系核的鲜明特征,可以被用来从时域的角度测量宇宙学距离上的活动星系核的中心引擎的结构、尺寸和超大质量黑洞的质量以及自旋.本文介绍了活动星系核光变行为的基本概念,概述利用光变研究活动星系核物理过程和测量超大质量黑洞质量等方面的主要进展,并对活动星系核的光变研究领域进行展望.     

星系紫外深场巡天观测进展

紫外波段是星系能谱分布中的重要部分.其包含大量原子、离子和分子的共振线以及研究重要物理过程的连续辐射,提供了理论研究重要的观测限制.在星系研究中,紫外辐射追踪大质量恒星,是测量和理解宇宙中恒星形成历史的重要工具.紫外辐射也可追踪大质量黑洞吸积盘,是理解吸积物理过程的重要手段.其涉及的关键科学问题包括宇宙正午时期的恒星形成历史与星系演化、宇宙重子物质缺失、宇宙再电离能量来源以及星系吸积和外流反馈等.本文重点阐述了紫外深场巡天观测的发展现状及其在星系科学研究中发挥的作用.主要介绍了深场仪器的基本参数、深场观测的目的和任务,以及数据及科学产出,并对国内外正在计划中的未来紫外观测进行了总结和展望.     

两类Seyfert星系的黑洞质量与吸积率

收集了89个Seyfert星系样本,利用反响映射法和恒星弥散速度法计算了Seyfert星系的黑洞质量,分别研究了Seyfert 1和Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间的相关性,结果发现Seyfert 1星系的黑洞质量与吸积率、热光度和红移之间具有强相关性,Seyfert 2星系的黑洞质量与吸积率之间具有弱的负相关性,与热光度和红移之间具有弱相关性.两类Seyfert星系的区别除了源于吸积盘倾角不同外,还可能与星系的环境、演化和星系核的活动有关.     

核心坍缩超新星中心黑洞超吸积在星系尺度上的贡献

核心坍缩超新星(Core-Collapse Supernova,CCSN)是大质量恒星演化末期的爆发现象,产生了宇宙中大多数的中子星和恒星级黑洞等致密天体.爆发可能伴随着强磁场中子星或黑洞超吸积引发的剧烈长时标伽马射线暴.CCSN还被认为是宇宙重元素的主要来源之一.本综述介绍了我们近期对CCSN中心黑洞超吸积过程的系列研究成果,主要包括研究了大质量星系中心附近伽马射线暴余辉阶段,因大量暗物质粒子湮灭电子注入而引发的光变和能谱的形态变化,探讨了其作为暗物质探测手段的可能性;研究了坍缩星框架下,中微子主导吸积流外流对核合成的贡献,及对太阳临近空间、(活动)星系等化学组分和演化的影响;最后,从数值模拟角度讨论了CCSN起源的致密天体质量分布,给出了低质量间隙可能起源于CCSN爆发能量分布的结论.     

科学家谈天文学重要方向 星系的演化

正星系的形成和演化是天体物理的前沿领域。该领域以现代宇宙学提供的大尺度结构形成和演化的成熟理论作为基本框架,通过观测和统计研究宇宙各时期星系的形态结构、星族构成、气体吸积、恒星演化、黑洞成长、化学元素、恒星和气体动力学等物理性质及其演变过程,试图阐明宇宙中各类星系的物理起源、演化关系以及它们与宇宙大尺度结构的物理联系,从而总结出支配星系演化的普适物理规律。目前被普遍接受的星系形成理论认为,星系在暗物质晕中形成和演化,其基本图     

星系中心大黑洞的宇宙学演化

在冷暗物质晕等级成团宇宙学模型中,伴随着暗物质晕并合,星系中心黑洞也断地并合和增长.于展Press-Schechter公式（EPS）我们编写了一自适应时间长Monte Carlo程序,重构了表征暗物质晕等级成团并合树.在成功地建立了黑洞和暗物质晕宇宙学演化模型后,我们通过引入直接吸积（包标准薄盘吸积和磁流体力学吸积）和随吸积两类黑洞吸积模式,论了黑洞自旋和质量宇宙学演化.通过与观测到AGN光度函数比较,我们发现黑洞通过磁流体力学吸积模式增长,与观测符合最好.于以上理论框架,我们还研究了双大质量黑洞演化,发现双黑洞通过共转气体吸积盘吸积对双黑洞质量比分存在显著影响.     

活动星系核喷流进动的物理机制分析

为了研究活动星系核喷流进动的物理机制,从文献中收集到23个有喷流进动周期(P)、B波段绝对星等(Mabs)和黑洞质量(Mbh)数据的活动星系核组成样本.用样本检验吸积盘驱动中心黑洞和喷流进动的盘致进动模型,观测到数据整体上符合理论预期的P、Mabs和Mbh之间的关系,但数据的弥散度较大,吸积盘的黏滞参数需取较大范围才能使理论范围覆盖所有的样本源.喷流进动也可能是由于星系核中心存在超大质量双黑洞.在此双黑洞模型下估算了样本源中双黑洞的距离,并将10个样本源的双黑洞距离和从文献中得到的星系核宽线区尺度对比,显示喷流进动周期大于106年的样本源的双黑洞距离可能大于星系核宽线区尺度.因此通过喷流进动的观测结果可以搜寻超大质量双黑洞候选体和限制双黑洞的参数.高质量的反响映射监测等进一步观测有望检验超大质量双黑洞系统的存在,帮助揭示喷流进动的物理机制.     

活动星系核的演化与吸积率

红移,中心黑洞质量和吸积率是类星体演化的重要参数,通过三种方法计算了405个类星体和Seyfert星系样本的中心黑洞质量,并分析了中心黑洞质量和吸积率的分布,进而验证了：1.类星体-Seyfert星系的演化序列;2.平谱射电类星体（FSRQ）-BL Lac天体-射电星系（RG）的演化序列。     

正则静态黑洞的薄吸积盘

依照Penrose的宇宙检察猜想,自然界不存在裸奇性.所以,值得进一步考虑的是自然界根本不存在奇性.讨论了没有奇点的正则黑洞,并研究史瓦西黑洞和正则黑洞在天体物理学中的区别.研究围绕正则黑洞的薄吸积盘,比较了不同正则黑洞之间薄吸积盘的能量通量,辐射温度和吸积效率.结果显示,正则黑洞薄吸积盘内的相互作用比史瓦西的更加强.此外,随着正则黑洞质量不断地减少,薄吸积盘会更有效地消耗能量.这些特征提供了一种区分出正则黑洞的可能性.     

远红外亮类星体的研究进展

远红外亮类星体是极亮红外星系中具有I型活动星系核光谱特征的天体,光学光谱研究表明它们在光学波段的辐射主要由中心活动星系核主导,其中心超大质量黑洞的质量为107~108M☉,且有超爱丁顿吸积率.与光学选类星体相比,远红外亮类星体在远红外波段存在明显的辐射超出,这可能是由其核区周围~1 kpc尺度内的星暴活动(恒星形成率约为几百M☉yr-1)加热尘埃造成.对分子气体进行观测发现远红外亮类星体的宿主星系中存在约109~1010M☉的分子气体,这些分子气体可以为黑洞和核球的增长提供"原料".几乎所有远红外亮类星体都处于富气星系并合的晚期,是极亮红外星系向光学选类星体演化的过渡天体.     

低红移河外星系中性氢原子气体观测

我们回顾了近年来近邻宇宙星系中HI的研究进展,包括星系怎样吸积HI气体、HI在星系中的含量和分布、HI跟恒星形成率的关系以及环境对星系中HI的影响.近邻宇宙中仍然没有发现直接的证据支持HI吸积,说明这个过程很缓和.星系团、组尺度的环境以及局部星系密度环境对星系中HI含量有很明显的影响,然而我们仍不清楚实现这一过程的具体细节.不同星系内HI的分布具有很多共性,例如HI质量-直径关系,HI盘在光学盘外沿弯曲的普遍性,然而从宇宙学下的星系形成模型上理解这些共性仍然是个难题.在没有可探测的分子气体的低气体面密度区,HI与恒星形成活动有密切联系,表现在恒星形成覆盖面积比例和恒星形成面密度都与HI面密度相关.然而HI和恒星形成之间的联系怎样被激发以及被哪些物理条件约束仍然未明.相信接下来几年到几十年里,射电数据量的大爆炸会让一些未解之谜逐渐明朗.     

从“打嗝”模式推测黑洞大小

正超大质量黑洞通常位于大质量星系的中心。天文学家探测它们的唯一方法便是检测其对附近气体和恒星的引力作用。当超大质量黑洞"进食"(吸积)周围的气体和恒星时,会发生光闪烁现象。一项于2021年8月13日发表在Science上的研究显示,对于一个积极进食的黑洞而言,其质量和光闪烁模式之间存在紧密联系。也就是说,我们可以通过检测黑洞的进食过程推算黑洞的质量。     

星系中心大质量黑洞及潮汐瓦解恒星事件

黑洞潮汐瓦解恒星事件(Tidal Disruption Events,TDE)是星系中心黑洞瓦解进入其潮汐瓦解半径内的恒星并吸积恒星碎片物质而产生的一种剧烈辐射耀发现象.TDE的能谱和光变特征中蕴含了中心黑洞和被瓦解的恒星的信息,为我们证实和普查宁静星系中的黑洞,研究其参数、吸积过程和喷流产生、以及核区星际介质等提供了可能.TDE还可能提供中等质量黑洞和双黑洞存在的证据.TDE的观测和理论已成为一个新开辟的天体物理研究领域,但目前的进展受制于探测到事件太少(尤其是在X射线波段),且观测数据普遍质量不高.TDE的发生率很低,要探测大样本的事例需要监测足够大的空间体积.爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,EP)覆盖了0.5–4 keV的软X射线波段(接近TDE耀发时的辐射峰值能段),具有大视场以及高灵敏度,非常利于对TDE的探测.预期爱因斯坦探针卫星每年可以发现约几十至上百例TDE,其中有约10例或更多具有相对论性喷流特征.这将使我们可以获得较为完备、具有统计意义的TDE的样本,为进一步研究黑洞的存在和统计性质、增长和演化、发现中等质量黑洞和大质量双黑洞等提供了新的途径.     

活动星系核中黑洞质量与宇宙学红移的研究

收集了209个活动星系核（46个平谱射电类星体,78个BLLac天体,85个射电星系）样本,估算出爱丁顿吸积率,讨论了黑洞质量、热光度、红移量和爱丁顿吸积率之间的关系,得出了以下结论：（1）活动星系核的一个演化序列为：平谱射电类星体（FsRQ）——BL Lac天体——射电星系（RG）的演化;（2）三类星体的中心黑洞质量、红移量和热光度有较大差异：皆为FSRQ〉BLLac〉RG;（3）吸积率与热光度之间的相关性很强,吸积率的变化将导致热光度的变化。     

活动星系核中心黑洞的质量与进动

为了考察活动星系核中心黑洞质量对其进动的影响,本文对活动星系核中吸积盘驱使黑洞及其喷流进动的模型即盘致进动模型作了进一步研究.首先,在进动周期-绝对星等关系中代入由观测得到的黑洞质量,结果弥散度有所减小;其次,对此模型中黑洞质量与其进动锥角在演化过程中应有的关系做了理论分析并绘出理论曲线,发现它们之间是反相关的;最后,详细考察黑洞质量和进动锥角观测值的实际分布,发现理论曲线与实际数据是相吻合的.所以,盘致进动模型对黑洞进动现象的解释是比较合理的.     

活动星系核的演化研究

活动星系核的演化研究在能量产生、辐射机制等基本问题的研究中占有重要的地位。首先对活动星系核的基本性质及分类进行了简单的介绍,然后根据搜集到的数据,通过分析发光度、中心黑洞质量、吸积率与红移的关系图,进一步支持了活动星系核的演化存在的两个演化序列的观点:一个是平谱射电类星体FSRQ逐步过渡到BL Lac天体,然后过渡到射电星系RG,最后过渡到椭圆星系;另一个是从类星体Quasars过渡Seyfert星系,然后过渡到正常漩涡星系。     

费米耀变体伽马射线光度和中心黑洞质量的研究

通过分析所收集耀变体样本的红移、多普勒因子、内秉伽马光度、黑洞质量、内秉吸积率的分布得到:与蝎虎天体相比,平谱射电类星体有更大的平均红移、多普勒因子、内秉伽马射线光度、黑洞质量、内秉吸积率.利用线性回归和Pearson偏相关分析的方法,得到内秉伽马射线光度和黑洞质量以及内秉吸积率之间都有很好的相关性,这表明伽马射线的产生和黑洞质量及吸积都有关系,同时也表明喷流的产生和黑洞自旋及吸积有关系.     

原初典型星系的形成、演化及大尺度天体层次结构和演化的基本规律

本文应用相对论性牛顿万有引力定律和非黎曼几何的传统力学分析方法,对当代天体物理中大尺度天体一系列根本性问题,作了较系统全面的探索研究：（1）导出了原初典型星系的起源、形成和生死循环演化的基本规律．揭示了类星体、活动星系核现象和类星体反常红移未解之迷．证明了星系核中均都存在一超级不稳定黑洞．（2）导出了大尺度层次天体的基本特征和层次攀升演化的一系列基本规律．并对此系列唯象规律,作了相对论力学分析的理论证明．导出了星系分布中存在的”星系长城”、“星系空洞”和”星系分布红移周期性”等可观测天文现象．由此证明了总星系中质元星系非均匀和各向异性的分布规律．（3）导出了由排斥起主导作用形成的第二类引力黑洞：双饱和稳定临界黑洞（总星系M’S4）．揭示了星系红移和类星体特大红移之迷．（4）证明了相对论性牛顿万有引力是一种力程λG=R＇54的远程饱和有程力．（5）定量导出了总星系中潜藏的“场暗质星”和发不出光的“非场暗质量”,证明了“场暗质量”高度均匀和各向同性的分布规律．（6）导出了宇宙的“双饱和稳定临界黑洞理想气体分子结构模型”,导出了质量无限,尺度无边、没有中心、没有始终、永恒运动的无限宇宙．     

活动星系核吸积盘辐射的研究

在标准吸积盘辐射模型的基础上,考虑了不同的质量吸积率、不同的无量纲旋转参数a(中心黑洞为克尔黑洞)、最小稳定轨道半径处存在的约束(产生一个矩)和吸积盘表面磁场的存在(喷流辐射与吸积盘辐射之间存在一定的耦合)对吸积盘辐射的影响。结果表明,中心黑洞为正旋转的克尔黑洞比史瓦西黑洞辐射的峰值及峰值频率大,负旋转的克尔黑洞比史瓦西黑洞辐射的峰值及峰值频率小,质量吸积率越大峰值和峰值频率变大,无量纲黑洞旋转参数a越大峰值与峰值频率越大,喷流辐射能量和吸积盘辐射能量之比越大峰值和峰值频率越小,辐射效率越大峰值和峰值频率越大。