史瓦西黑洞外中微子主导吸积盘的质量

选取2005年1月—2016年12月期间具有X射线余辉观测的16个γ射线暴的短暴数据样本,估算史瓦西黑洞外中微子主导吸积盘的质量,发现大部分盘的质量远大于模拟的最大值。这个结果表明,短暴要求更大质量的吸积盘,即史瓦西黑洞的吸积不足以提供多数短暴能量,短暴爆发所需要的能量可能需要黑洞的自旋或其他的电磁动力学过程来提供。     

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.     

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。     

伽马射线暴

正伽马射线暴(简称伽马暴)是起源于大质量恒星坍缩(长伽马暴)或者致密双星并合(短伽马暴)等短时标极端剧烈的高能灾变天体,是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象,也是宇宙宏观速度最快的天体。伽马暴本身辐射及其余辉辐射来自新生黑洞或者磁星所驱动的极端相对论喷流,并且理论上预期其还伴随强引力波、高能中微子和高能宇宙线辐射。因此,伽马暴是研究黑洞     

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.     

磁场对中微子主导吸积盘粒子丰度的影响

中微子主导吸积盘被认为可能是伽玛射线暴中心能源机制的一种模型.为了详细地考虑微观粒子分布,计算了伪牛顿势框架下磁场对中微子主导吸积盘微观粒子丰度的影响.结果表明,在吸积盘的外区,磁场对粒子丰度和电子简并度几乎没有影响；而在吸积盘的内区,考虑和没考虑磁场时,电子简并度,电子、中子等粒子丰度具有比较大的差异.     

黑洞磁化薄吸积盘的热稳定性

首先回顾了吸积盘理论产生的背景和研究概况.自从1991年Balbus和Hawley揭示了磁转动不稳定性(MRI)在较差转动流体系统中的重要性之后,磁场逐渐成为吸积盘理论研究所不可回避的成分.因此在标准薄盘模型的框架下,引入了环向磁场.假设在热扰动发生的时标内局部环向磁通量守恒,具体分析了当环向磁场参与到吸积盘垂向流体静力学平衡以及粘滞产热等过程之后,对盘的热稳定性所产生的影响.结果显示:当磁压在总压强中所占比例高于24%时,对任意的吸积率吸积盘都将呈现出热稳定性.这一结果有别于传统薄盘在辐射压主导情况下是热不稳定的结论,可以用于解释部分高光度X射线双星系统中缺少相应光变的观测事实,以及有助于理解近年来磁化吸积盘数值模拟中的一些结果.     

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.     

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.     

超爱丁顿吸积盘的临界光度

Slim盘是一类光学厚、几何厚度可以和半径相当的径移主导吸积盘,广泛应用于解释超爱丁顿吸积的观测现象.超爱丁顿吸积流的数字模拟显示外流的存在,意味着盘上只有一小部分的气体被黑洞吞入.本文在研究Slim盘的时候,垂向采用准确的引力作用,计算结果显示吸积盘的垂向存在引力的上限,吸积盘的外部区域存在吸积率上限,该上限值随半径的变化而变化.该结果表明,在超爱丁顿吸积的情况下,只有盘的内部区域可能以Slim盘的形式存在,而外部区域需要通过某种机制损失物质,这种机制很可能就是外流,这个结果与数值模拟的结果相符.最后,本文拟合了盘光度L/L disk Edd随无量纲化吸积率m的变化曲线,得到盘光度与吸积率关系的解析表达式.     

黑洞吸积盘径向参量的演化

利用黑洞吸积盘演化的基本方程组 ,在纯吸积情况下 ,求得了薄、厚吸积盘及一般厚吸积盘的黑洞视界半径rH的演化方程 .证实了中心黑洞与吸积盘相互影响的基本性质 ,并得到一些新的结果 .黑洞视界半径rH演化并非完全单调 ,其演化特性与吸积盘的类型有关 :对于薄盘 ,rH单调递增 ;对于临界厚盘 ,rH先增后减 ;对于一般厚盘 ,rH先增后减再递增 .还讨论了吸积盘内边缘与黑洞视界间隔的演化 .     

磁场从黑洞吸积盘提取能量的解析模型

提出了一种磁场提取黑洞吸积盘能量的解析模型,其中涉及到3种能量机制: (1) Blandford-Znajek (BZ)与连接黑洞与天体物理负载的开放磁力线有关, (2) 磁耦合(MC)过程与连接黑洞与盘负载的闭合磁力线有关, (3) DL过程与连接吸积盘与天体物理负载的开放磁力线有关.利用等效电路导出上述能量机制的电磁功率和力矩表达式.此外还讨论了这个模型潜在的天体物理应用.     

黑洞吸积盘径向参量的演化

利用黑洞吸积盘演化的基本方程级,在纯吸积情况下,求得了薄、厚吸积盘及一般厚吸积盘的黑洞视界半径ｒＨ的演化方程。证实了中心黑洞与吸积相互影响的基本性质,并得到一些新的结果。黑洞视界半径ｒＨ演化并非完全单调,其演化特性与吸积盘的类型有关：对于薄盘,ｒＨ单调递增;对于临办厚盘,ｒＨ抚增后减;对于一般厚盘,ｒＨ先增后减再递增。还讨论了吸积盘内边缘与黑洞视界间隔的演化。     

天鹅座X-1中的恒星级黑洞的新测量

对恒星级黑洞的研究是当前天体物理学最重要的课题之一.过去几十年,天文学家通过对X射线双星的观测与来自双黑洞并合产生的引力波信号,确定了一些恒星级黑洞并确定了它们的一些物理性质.最近,一个团队重新测定了X射线双星天鹅座X-1的精确距离,并在此基础上确定了其中的黑洞V1357 Cyg的质量、自转及其他重要性质.这项新的研究表明V1357 Cyg的质量为(21.2±2.2) M_⊙,是截至目前被发现的质量最大的位于X射线双星中的黑洞.它的质量挑战了当前的大质量双星演化模型.未来对类似的位于X射线双星中的黑洞的精确测量将进一步加深人们对恒星演化模型与恒星级黑洞物理性质的理解.     

黑洞双星低硬态与喷流成协的模型

提出了黑洞双星与准稳态喷流成协的低硬态模型.把盘冕模型与束缚在盘的磁补丁的开磁力线结合起来,拟合了5个黑洞双星低硬态的谱型;通过调节吸积率和盘冕的外边界和数值计算,验证了处于低硬态的黑洞双星的喷流功率和X射线光度的关系.     

吸积盘中心黑洞的熵变与 B-Z 过程

分别在薄盘和厚盘两种情况下,详细讨论了纯吸积过程和Ｂ－Ｚ过程中吸积盘中心黑洞的熵变．结果表明,中心黑洞各参量在Ｂ－Ｚ过程中的变化率与在纯吸积过程中的变化率之差与盘结构无关,而且与Ｂ－Ｚ过程的辐射功率成正比．在Ｂ－Ｚ过程中黑洞熵的变化率总是大于纯吸积过程中黑洞熵的变化率,二者之差来自中心黑洞延伸视界上的耗散功率．此外,还讨论了黑洞热力学定律在上述盘吸积过程中的有效性．     

吸积盘中心黑洞的熵变与B—Z过程

分别在薄盘和厚盘两种情况下，详细讨论了纯吸积过程和Ｂ－Ｚ过程中吸积盘中心黑洞的熵变。结果表明，中心黑洞各参量在Ｂ－Ｚ过程中的变化率与在纯吸积过程中的变化率之差与盘结构无关，而且与Ｂ－Ｚ过程的辐射功率成正比。在Ｂ－Ｚ过程中黑洞熵的变化率总是大于纯吸积过程中黑洞熵的变化率，二者之差来自中心黑洞延伸视界上的耗散功率。此外，还讨论了黑洞热力学定律在上述盘吸积过程中的有效性。     

磁化黑洞吸积盘的统一模型及其放能效率

阐述了一种包括三种放能机制在内的磁化黑洞吸积盘的统一模型，在广义相对论框架中导出满足Max-well方程的磁耦合映射关系，在黑洞基本演化方程的基础上得出描述黑洞演化状态的特征函数，分析了黑洞自转参量演化的平衡点及特征，讨论了统一模型的各参量对磁化黑洞吸积盘放能效率的影响，计算表明，在黑洞视界面磁压满足冲压平衡条件下，黑洞吸积盘的最大放能效率可达44.5%。     

检测黑洞双星的自转

基于旋转黑洞能量提取的两种机制,Blandford-Znajek(BZ)和magnetic coupling(MC)的共存模型,提出计算黑洞自转的一种新方法.利用该方法计算了既有射电喷流又有高频准周期振荡的黑洞双星的自转,发现其中心是一个与吸积盘旋转方向相同的快转黑洞,且黑洞自转范围很窄.该方法得到的计算结果与其他方法得到的结果很接近.     

反常粘滞吸积薄盘的稳定结构

根据描述吸积盘的流体动力学方程,给出无磁场情况下的质量、动量和能量守恒方程。在所给定方程的基础上,利用新的反常粘滞计算了黑洞周围吸积盘内区的结构。数值结果表明盘内区的气体不是做开普勒旋转,温度随吸积率变化比较明显,在M=10M_⊙,M ^.=100M ^._E的情况下,吸积盘的最大温度可达到3.35×10⁷K。 同时文中也给出了面密度和径向速度的分布规律。