单个星系中活动星系核反馈的数值模拟

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活动星系核(以下简写为AGN)反馈因其对寄主星系产生的影响关系到对宇宙学意义的星系形成和演化的正确理解,近年受到广泛的关注。反馈源包括AGN的电磁辐射、物质外流和喷流,本文关注于单个星系,喷流反馈不做研究。电磁辐射—尤其是明亮AGN的辐射—与星际介质相互作用的过程已经有很好的理解。AGN的物质外流的观测从丰富的紫外和X射线吸收线被很好的证认,尤其是最近发现的超高速外流,被认为会对寄主星系产生深远影响。目前有三种主流的AGN外流的驱动机制被提出,即热驱动、辐射压力驱动和磁驱动。本文集中于辐射反馈,故只会涉及到前两种机制。本文主要采用二维含时流体力学数值模拟的方法研究辐射驱动外流和AGN正反馈效应。在第一章绪论中,我们从物理尺度由小到大依次介绍了天文学中的黑洞、黑洞吸积盘、活动星系核,最后还介绍了活动星系核反馈的研究意义、观测证据和反馈形式。  本文第二章研究了pc尺度上的辐射驱动外流,辐射反馈包括线力为主的辐射压力和X射线主导的辐射加热。中心类星体辐射的特征温度取为2×107K,其由UV和X射线两部分组成,前者的辐射流量正比于cos(θ)且占到总流量的95%,后者是各项同性的。我们改善了X射线辐射力的计算,并在中心AGN辐射反馈的基础上进一步考虑了前人研究中忽略的星际介质气体自身辐射(再辐射)的动力学影响。辐射的几何结构意味着赤道面及其附近的气体受到的辐射力(线力为主)非常弱,这将导致吸积流形成“盘”结构,并且由于赤道面气体受到的辐射反馈很弱,很容易在一定条件下出现超爱丁度吸积的现象。从吸积流形成盘结构预期的启示,简化后的再辐射力合力方向垂直于赤道面向上。我们发现再辐射力最重要的影响是质量外流率明显增强,内边界处的吸积率则明显下降。对于外边界注入气体密度较高的模型,吸积率下降了大约2倍,外边界外流率增加了大约7倍。外流率虽然增强,但是外流速度增强不明显,典型速度只有几百kms-1。可能对应于窄线区外流或者温热吸收体。  本文还研究了活动星系核的正反馈,集中在单个星系距离中心黑洞kpc的尺度。活动星系核除了通常认为的吹走或加热星际介质并破坏恒星形成活动等负反馈,还有可能在适当的条件下触发恒星形成。这个工作是首次同时考虑了活动星系核辐射和质量外流的正反馈效应。我们发现星际介质由于反馈冲击形成高密度的气体壳层,由于热不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性,气体壳层会碎裂形成结构和团块。同时,这些丝状结构和团块具有的高密、低温性质使其成为理想的恒星形成区。另一方面,丝状结构和团块与反馈的作用截面要小很多,其中一部分可以避免被反馈很快破坏。我们发现物质外流和辐射反馈都起到作用,并且可以相互促进。在低光度的情形下,物质外流反馈起到主导作用。我们估算得到的恒星形成率比观测值要大得多,这很可能是我们估算的方法太过粗略。  在第四章我们还简单介绍正在进行中的一个工作。我们考虑一种更一般性的情形,即从外边界注入的气体具有很大的角动量,其圆化半径在模拟区域内。这意味着气体会在圆化半径处堆积。我们使用一种模仿MRI的异常粘滞来转移角动量以便气体可以继续下落到内边界以内。初步结果显示,圆化半径以内形成很薄的盘结构,但是由于热不稳定性,该盘在某些半径处会经常性的断裂。这个工作目前还需要更多的模型计算和数据分析。  在最后一章中,我们做了简单的总结和对未来工作的展望。
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