本文關(guān)鍵詞：黑洞天體活動的基本面研究

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【摘要】：“一黑”、“二暗”、“三起源”是天文學最前沿的科學問題,其中“一黑”是指黑洞的研究。根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同,可以將黑洞大致分為恒星質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星質(zhì)量黑洞的質(zhì)量約3-20M(?),一般處于雙星系統(tǒng)中。超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量約為106-10M(?),一般處于星系的中心�；顒有窍岛耸且环N具有劇烈活動的系外星系的中心,這種強烈的活動一般起源于超大質(zhì)量黑洞的活動。中等質(zhì)量黑洞(MBH=106-10M(?))是否存在現(xiàn)在還不清楚,但有人認為極亮X射線源(如HLX-1)可能是中等質(zhì)量黑洞非常好的候選體。黑洞質(zhì)量的不同導致了不同尺度黑洞的演化時標相差數(shù)個數(shù)量級�？紤]到不同尺度黑洞的中心引擎的相似性,利用黑洞X射線雙星短時變的特點來研究活動星系核將具有一定的借鑒意義。但是,黑洞雙星和超大質(zhì)量黑洞天體中心黑洞質(zhì)量相差6-9個量級,類似的中央引擎在如此大的參數(shù)空間范圍是否一定相似仍不清楚,此外,該領(lǐng)域還有許多問題還不清楚,如噴流的產(chǎn)生、持續(xù)及熄滅的機制?吸積盤的冕的結(jié)構(gòu)是什么樣的及其如何演化的?盤冕的演化與態(tài)的轉(zhuǎn)換存在什么樣的關(guān)系?ULXs中的黑洞質(zhì)量如何等。博士期間,我的工作主要圍繞不同尺度黑洞天體的物理性質(zhì)和觀測特性展開,主要研究了不同尺度黑洞天體活動的基本面關(guān)系以及黑洞X射線雙星的能譜演化。具體包括以下幾個方面的工作：第一章首先介紹了活動星系核、黑洞X射線雙星和超亮X射線源的觀測特性,主要包括活動星系核的分類和統(tǒng)一模型,黑洞X射線雙星的時變特性和能譜特性以及超亮X射線源的一些觀測性質(zhì)：在此基礎(chǔ)上綜述了不同尺度黑洞天體的相似性,主要包括中心引擎、HID圖以及射電-X射線關(guān)系的相似性,并介紹了黑洞天體活動的幾個基本面關(guān)系；最后簡單介紹了產(chǎn)生上述觀測特性可能的物理機制一致密天體的吸積和噴流,主要包括最流行的幾種吸積盤模型(如標準盤模型SSD、徑移主導吸積流模型ADAF和slim盤模型)、噴流的產(chǎn)生機制和噴流能量的提取以及吸積盤和噴流的耦合等。第二章主要研究了黑洞X射線雙星不同射電-X射線關(guān)系可能的物理本質(zhì)。近年來,射電-X射線的例外分支被發(fā)現(xiàn)。它的擬合斜率比正常分支更陡,可能與正常分支具有不同的吸積模式。該工作首先利用同時或準同時性的射電-X射線觀測,研究了四個黑洞X射線雙星光子指數(shù)隨流量的演化。發(fā)現(xiàn)F3-9keV在低于和高于臨界流量Fx,crit時,X射線譜指數(shù)Γ和X射線流量F3-9keV的相關(guān)性由反相關(guān)向正相關(guān)轉(zhuǎn)換。該結(jié)果分別與SSD-corona模型和ADAF模型的理論預期一致。更重要的是,在同一臨界光度FX,crit處,射電-X射線相關(guān)性也發(fā)生了明顯的變化：當F3-9keV≥FX,crit時,射電-X射線流量的擬合斜率較陡b～1.1-1.4,處于例外分支；當Γ-F3-9keV反相關(guān)時,黑洞X射線雙星處于正常分支或轉(zhuǎn)換分支。該工作通過分析硬X射線譜指數(shù)的演化,驗證了射電-X射線相關(guān)性的正常分支和例外分支的X射線輻射分別來自于輻射低效和輻射高效的吸積模式,暗示Γ-F3-9keV正、反相關(guān)性的變化是吸積模式轉(zhuǎn)換的結(jié)果。第三章主要研究了高輻射效率黑洞天體的基本面關(guān)系。近年來,越來越多的觀測表明黑洞X射線雙星低/硬態(tài)的射電-X射線相關(guān)性存在例外分支(FR∝FbX,b～ 1.4),該分支可能與輻射低效的正常分支具有不同的吸積模式。該工作首先構(gòu)建了一個輻射高效黑洞天體的樣本,包括高光度射電寧靜活動星系核和例外源。它們的Γ-F3-9keV都是正相關(guān)的,且Lbol/LEdd≥1%。在此基礎(chǔ)上分析了LSGHZ/LEdd和L2-1okeV/LEdd的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)它們具有相似的相關(guān)性,即遵循L5GHZ/LEdd∝(L2-10keV/LEdd)c關(guān)系,斜率分別為c=1.59和c=1.53。既然高光度活動星系核和例外源具有相似的性質(zhì),我們分析了這兩類天體的基本面關(guān)系：log LR=1.59+0.280.22logLx-0.22+0.190.20ligMBH-28.97+0.45-0.45,彌散度為σR=0.51dex。與Merloni et al.(2003)輻射低效黑洞的基本面關(guān)系相比,該基本面關(guān)系適用于輻射高效的黑洞天體。第四章主要研究了寧靜態(tài)黑洞天體物理性質(zhì)。寧靜態(tài)時射電-X射線的相關(guān)性是否延續(xù)低/硬態(tài)時的演化一直存在著兩種不同的觀點。本章首先構(gòu)建了一個比較完備的樣本,包括黑洞X射線雙星和低光度活動星系核,光度范圍為LX～10-9-10-3LEdd。在此基礎(chǔ)上分析了黑洞活動的基本面關(guān)系,得到了與Merloni et al.(2003)和Falcke et a1.(2003)相似的結(jié)果,即ζX～-0.60,ζM～0.80。該結(jié)果表明寧靜態(tài)黑洞的基本面關(guān)系仍然在低／硬態(tài)時的延長線上。我們還發(fā)現(xiàn)射電噪類星體(如,FR Is)的基本面關(guān)系較陡。排除了FR Is后,分別分析了低／硬態(tài)(LX≥LX,crit)和寧靜態(tài)(Lx≤ LX,crit)黑洞天體的基本面關(guān)系。發(fā)現(xiàn)兩個子樣本具有相似的基本面關(guān)系,暗示寧靜態(tài)時和低／硬態(tài)時的黑洞天體可能具有相似的中心引擎。為了驗證這個結(jié)果,本章又利用黑洞質(zhì)量小范圍變化(低光度活動星系核,MBH=108±0.4；FR Is,MBH= 108.8±0.4)、X射線光度相差數(shù)個量級(低光度活動星系核,Lx=10-8.8-10-3LEdd； FR Is,Lx=10-7.6-10-3.6LEdd)模擬了單個活動星系核從低／硬態(tài)向?qū)庫o態(tài)的射線-X射線相關(guān)性的演化。結(jié)果表明,寧靜態(tài)的射電-X射線相關(guān)性基本上在低／硬態(tài)的延長線上,暗示寧靜態(tài)和低／硬態(tài)時黑洞天體可能具有相似物理機制。第五章研究了黑洞X射線雙星X射線譜的演化。Cao(2009)通過SSD-corona模型的理論研究表明,r-m演化與磁應(yīng)力張量Trφ密切相關(guān)。本工作希望通過分析黑洞X射線雙星一次完整爆發(fā)過程中r-m的變化,限定吸積盤未知的物理機制。首先,我們利用RXTE衛(wèi)星數(shù)據(jù)對GX 339-4進行了能譜分析,并以2007/2008一個完整的爆發(fā)為例,研究整個爆發(fā)過程中譜指數(shù)r隨X射線流量F2-10keV的演化。結(jié)果表明,在光度上升和下降階段Γ-F2-10keV相關(guān)性遵循兩個不同的演化軌跡。(i)上升階段。當Lbol ≤ 7.5%LEdd時,Γ-F2-10keV反相關(guān)的；當Lbol≥7.5%LEdd時,Γ-F2-10keV是正相關(guān)的。(ii)在下降階段,Γ-F2-10keV可以分為3個部分：當Lbil ≤ 1%LEdd時,Γ-F2-10keV近似水平變化：當1%LEdd ≤ Lbol ≤ 1.5%LEdd時,Γ-F2-10keV是正相關(guān)的;當Lbol≥1.5%LEdd時,隨著F2-10keV升高,硬X射線譜指數(shù)近似為常數(shù)。目前,我們僅僅展示了GX 339-4一次完整爆發(fā)的初步結(jié)果,更多黑洞雙星、更多次爆發(fā)的數(shù)據(jù)正在處理中,我們將盡快將結(jié)果展示給大家,并綜合討論Γ-F2-10keV演化相關(guān)的物理機制。需要指出的是,Cao(2009)是針對108M(?)活動星系核的理論計算結(jié)果,與10M(?)黑洞的r-m的演化也許存在一定的差異,相關(guān)理論計算也正在進行中�？傊�,利用r-m和LX/LEdd-m的演化,特別是利用一次完整的爆發(fā)(由于MBH固定,BHXB將比AGNs樣本限定的更好)可以限定吸積盤的物理機制。第六章總結(jié)了本人博士階段的主要工作成果,介紹了當前主要的科學問題,并對今后一段時間的工作方向作以簡單的介紹和展望。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P145.8

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