相对论厚吸积盘和扭曲盘的发射线及成像研究

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活动星系核的小尺度和高光度要求极高的产能效率,借助致密天体吸积物质释放引力能的高效特性而建立的黑洞—吸积—喷流的动力学模型,现已称为标准模型。黑洞的存在已为天文物理学界普遍接受,对黑洞吸积系统的研究也集中到确定系统的详细特性上。黑洞证认(质量和自旋)和吸积盘研究成为活动星系核研究的重要领域。但即使对于一个质量为108M大小的黑洞来说,其视界大小r~10-5pc,中心吸积盘的几何尺度也不过r~10-3pc的量级。如此小的空间尺度又位于遥远的星系核心,天文学家用现有的观测手段是无法直接分辨的。当然对星系核的连续谱快速光变的观测可定出发射区尺度的上限,但包含发射点状态等可资利用的信息有限。幸运的是,自然界为我们提供了一种极其有用的探测手段,谱线轮廓诊断的方法。如发自于吸积盘内区的铁Kα线和被认为来自于吸积盘宽线区的宽巴耳末发射线等。发射线谱由原子和不同电离度离子的能级跃迁所致,是研究发射区物理的主要方法。对于黑洞吸积盘来说,目前也是几乎唯一的方法。谱线轮廓特征如线宽、轮廓线不对称性和微小平移等都携带发射区更多的信息。谱线流量比也能提供发射区物质的状态信息。目前这方面的工作主要是使用薄盘模型,根据吸积盘理论,当吸积率提高时吸积盘会变厚,在外力矩作用下(潮汐力、引力拖曳等)吸积盘会发生扭曲。研究吸积盘厚度及扭曲对谱线轮廓发生的影响,无论在理论还是观测上都具有十分重要的意义。本文新编了一套计算程序,用来计算相对论厚吸积盘和扭曲盘对再发射线轮廓的影响,并与观测结果进行了比较,得出一些有意义的结论。全文共分为四部分。第一章引言部分,首先介绍了克尔度规的基本知识,列举了各种粒子轨道,和刚性四标架概念。接着回顾了吸积盘物理的相关知识,重点是标准薄盘的介绍。最后引入了再发射线的概念。第二章是相对论厚吸积盘的发射线及成像研究。以往的研究主要局限于开普勒薄盘,这种盘在吸积率增大时会变厚并做亚开普勒运动。这些会影响谱型的轮廓,反过来又会影响从观测数据对吸积盘系统的各参数的测定。我们建立了一个厚盘模型,详细介绍了数值计算方法。我们自编了一套数值计算程序,计算了一系列谱线轮廓随各参数变化的函数关系。计算了吸积盘的红移成像和流量成像图。我们发现,谱线红峰和蓝峰之间的间距和相对高度随吸积盘变厚而减小。在大倾角状态下观测,吸积盘的自遮蔽效应非常显著,以至于黑洞阴影区完全消失,这是标准薄盘所没有的现象。在第三章中,我们把上章中的程序进行了拓展,使之能够用来处理扭曲吸积盘的情况。我们提出了一个参数化的扭曲盘模型,并把施照源简化为中心点源处理。我们的主要目的是认识吸积盘的扭曲对双峰巴耳末宽发射线的影响。模型参数数目与椭圆盘相当。我们计算了宽巴耳末发射线随系统参数的变化关系。计算同时考虑了顺行吸积盘和逆行吸积盘的情况。而赤道薄盘无需这种分别。我们发现,扭曲盘能自然预言红峰和蓝峰高度比跨过1,也能产生三峰和双峰并带有次级翼展的谱线轮廓,这些都在SDSS光谱中观测到。我们还将计算结果与观测进行了比较,对斯隆巡天数据中选择的四个宽线源,发现模型能产生观测光谱的主要特征。我们还计算了扭曲盘接收中心辐射的比率,比值因盘的扭曲而增大,这就自然解决了相对论圆盘模型所面临的能量赤字问题。最后一章是全文的总结和一些展望。
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