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Note:ADAF模型在低光度活动星系核中的应用

Note:ADAF模型在低光度活动星系核中的应用

低光度活动星系核吸积盘模型

根据星系活跃度,可以将星系分为明亮的活动星系核低光度活动星系核本文的重点)和宁静星系(如我们银河系)。而目前的理论认为任何星系的中心都存在着一个超大质量黑洞,这些黑洞作为星系的引擎,必然要吸积周围的气体

帕尔玛巡天的结果显示低光度活动星系核非常普遍的存在于邻近星系中,邻近星系约40%都是低光度活动星系核。

低光度活动星系核的主要观测特征是:

  1. 热光度比较低。典型的热光度L_{bol}/L_{Edd}\simeq10^{-5}\sim10^{-3} ,比塞弗特星系有一个小而亮的恒星状的核大多数没有完整的旋臂,核的光谱中有正常星系的光谱中看不到的高激发高电离气体发射线和一些禁线,且光度较强)的光度低 1\sim2 个量级。这是由于吸积率较低且吸积流的辐射效率小于标准薄盘
  2. 谱能量分布以及铁发射线不同于一般活动星系核。明亮的活动星系核在光学紫外波段都存在着著名的“大蓝包”(蓝光波段处的明显隆起),而从低光度活动星系核的谱中我们没有看到“大蓝包”,但是在中红外波段存在着极大。由于“大蓝包”通常被认为是由标准薄盘内区的辐射造成的,所以“大蓝包”不存在也意味着标准薄盘在低光度活动星系核中不存在或者被截断
  3. 双峰巴尔末线。低光度活动星系核中经常发现具有双峰结构的发射线。拟合这些线要求吸积盘的内半径的值必须很大,这也印证了标准薄盘存在截断的理论。

目前大家公认的低光度活动星系核的标准模型如封面图所示,在距离黑洞较远的地方存在着标准薄盘,标准薄盘在某一半径处被截断,或者说发生了跃迁。从截断半径或者跃迁半径以内一直到黑洞视界都是热吸积流,即ADAF模型或者LHAF模型,而在热吸积流内部存在着喷流

从观测得到的数据可以推测,跃迁半径的值与吸积率相关,吸积率越高对应的跃迁半径就越小。一般来说,在这一模型中,低光度活动星系核的X射线辐射是由内区的热吸积流通过康普顿化过程实现的,光学和紫外波段的辐射则主要来源于标准薄盘中的黑体辐射,而射电辐射则主要来源于喷流产生的同步辐射

目前ADAF模型已经被广泛用于解释低光度活动星系核,包括低光度活动星系核NGC1097低光度活动星系核M81椭圆星系FRIsFararoff-Riley I型射电星系)、XBONGX-ray Bright Optically Normal Galaxy)、Blazars耀变体)以及部分塞弗特星系

喷流与低光度活动星系核

对于低光度活动星系核我们还有很多问题没有解决,比如为什么低光度活动星系核通常是射电噪的而明亮的活动星系核通常射电宁静。目前的理论认为这个情况显然与喷流的形成机制密切相关。

由于低光度活动星系核中存在着明亮的活动星系核中几乎没有的热吸积流,而热吸积流必然伴随着喷流的产生,所以很有可能热吸积流有利于形成喷流

另一个问题是喷流的辐射机制对观测到的辐射谱的贡献。我们目前只知道喷流是射电辐射产生的原因,但还不知道喷流的其他作用。我们可以设想,如果有比较大的一部分吸积流都进入喷流,而且喷流的辐射效率很高,由于ADAF的辐射效率很低,那么很有可能整个波段的辐射都是由喷流而不是吸积流主导的

标准薄盘与ADAF的跃迁机制

在封面图片所示的吸积盘结构中,存在着一个重要的问题--标准薄盘如何跃迁到ADAF

目前主要理论有三种:

  1. 薄盘蒸发模型。在这一模型中,薄盘存在热冕,热冕由ADAF模型描述。由于热冕和冷盘之间存在着热传导,那么薄盘中的冷物质会通过蒸发过程转化成气体进入冕中。当吸积率小于蒸发率的时候,薄盘就会变成热冕。
  2. 湍动能量传输。这个模型考虑了通常会被忽略的径向上的湍动能流。这一能流正比于熵梯度,形式上与对流相似,但具体的物理性质目前还不清楚。根据相关计算结果,我们发现当湍动能流超过某一阈值时,这一机制可以使标准薄盘跃迁为ADAF。
  3. 辐射压的不稳定性。当吸积率高于某个值时,由于标准薄盘的内区是辐射压主导的,这时的吸积盘是热不稳定的,这种不稳定性也许会导致跃迁的发生。

薄盘蒸发模型和湍动能量传输模型都认为跃迁可以发生在很大的吸积率范围内,而且吸积率越大,跃迁半径越小。这也符合观测数据。

参考文献

[1]. Yuan F, Narayan R. Hot Accretion Flows Around Black Holes[J]. Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 2014.52:529-588.

[2]. 向守平. 天体物理概论[M]. 中国科学技术大学出版社, 2008.

编辑于 2017-11-03

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    我将在专栏中不定期更新天文及物理方面的科普,主要将集中在黑洞天体物理领域,并会有一些天文学史及近现代天文学研究进展和讨论。 同时我将在每周五更新一些我最近看文献或者教材所记录的一些笔记。