天问天文
首发于天问天文
Note:黑洞吸积中喷流的形成

Note:黑洞吸积中喷流的形成

目前的观测数据显示,在一些活动星系核射电星系以及射电类星体)以及黑洞X射线双星中,存在一个着准直性很强的结构,该结构源自黑洞周围,在空间中能够延伸至很远的距离,尺度甚至可以远远超过整个星系。这个结构最后会与一个在射电波段辐射很强的“射电瓣”相连。这即是喷流

喷流的速度一般是相对论速度,有的甚至接近光速。由于光行差效应,这样的喷流看起来速度甚至会超过光速。近些年的观测发现,喷流大体分为两类 。第一类是连续性喷流,即空间上以及时间上看起来都没有间断;第二类是间歇性喷流,喷流是由一些分立的团块组成,团块之间的发射具有一定的时间间隔。 研究中一般不区分这两种喷流。

喷流的形成机制是喷流研究中最重要的问题。

目前主流的喷流模型都是需要磁场的存在,而磁场来源于黑洞周围的气体中的弱磁场在吸积过程中通过磁转动不稳定性效应在吸积盘中被有效放大磁流体数值模拟结果显示 ,磁场一般能被放大到压强是气体压强十分之一的程度。

连续性喷流的形成

目前天文学家对喷流的形成基本达成了几个共识,一是喷流形成需要转动能,二是喷流需要磁场。目前比较公认的模型有三种,分别是Blandford-Znajek机制Blandford-Payne机制磁塔模型。前两种模型是比较有影响力的,而第三种虽然影响力比较弱,但从最近的观测结果来看似乎是正确的那一个。

Blandford-Znajek模型

这一模型认为黑洞是旋转的,并且伴随着有大尺度极向磁场经过黑洞的能层穿过黑洞视界。黑洞旋转会导致时空框架拖曳效应,因此黑洞周围的磁力线也跟着时空旋转,而距离黑洞很远的磁力线受到的影响却很小。所以原本是极向的磁力线就发展出来一个轴向分量,从而产生了坡印廷能流。这一理论的核心是,在一个无穷远处的观测者框架下一个负的能流进入黑洞能层减小了黑洞的能量与角动量相应地产生了一个携带着正的能量和角动量的坡印廷能流。这一能流的功率P_{BZ}=\frac{\kappa}{4\pi c}\Phi^{2}\Omega^{2}_{H} ,其中 \Phi 是穿过黑洞视界的磁通量\Omega_{H}=\frac{a_{*}c}{2R_{H}} 是黑洞视界的角速度,而 a_{*}\equiv\frac{a}{M} 是黑洞的自旋参数,其中 a 是黑洞的角动量M 是黑洞的质量R_{H}=R_{g}(1+\sqrt{1-a^{2}_{*}}) 是黑洞视界半径\kappa磁场几何系数,一般取0.05。

Blandford-Payne模型:

Blandford—Payne 模型与Blandford-Znajek模型类似,都需要大尺度极向磁场的存在。不同的是,该模型认为磁力线的足点是附着在吸积盘中,提取的是吸积盘的转动能。我们考虑处于吸积盘冕中的一个流体元。假设吸积盘强烈磁化的,即磁压强大于气体压强。进一步假设存在一个大尺度的极向磁场,磁力线的足点固定在吸积盘上,因此近似认为整条磁力线都在以相同的角速度转动,角速度与磁力线足点处的吸积盘角速度相同,均为 \Omega ,故处于半径 R 处(柱坐标)的流体元其转动线速度\Omega R 。这样,随着半径的增加离心力也迅速增加。除了离心力,流体元还受到黑洞的引力。此外,由于冕区是强磁化的等离子体,存在着磁冻结效应,即流体元只能沿着磁力线做运动。综合上述分析,我们可以发现,如果磁力线与吸积盘的夹角小于 60°,那么流体元就会沿着磁力线向外做加速运动。本质上,流体元加速的能量来源是吸积盘的转动动能,但是这一能量是沿着磁力线传播过去的,因此文献上常把这种加速称为磁离心力加速

磁塔模型

这一模型是说,在吸积盘的内区,存在大尺度的磁力线。这些磁力线的足点附着在吸积盘中,由于吸积盘的转动,磁力线跟着旋转,因此产生了轴向分量。这些轴向磁场显然越靠近吸积盘面强度就越大,故磁场压强在垂直于吸积盘面的方向有个梯度。这一梯度力能够加速气体,形成喷流。这些轴向磁场从形状上看起来就像一个塔,故而称为磁塔模型。

间歇性喷流的形成

对于间歇性喷流的研究一直没有好的进展,直到2009年中国科学院上海天文台袁峰老师提出了第一个间隙性喷流的模型,对于袁老师研究我还没有仔细阅读过相关文献,故在此不表。

参考文献

Feng Y, Observatory S A. Recent progresses in the research of black hole jets[J]. Physics, 2015.

P.S.期中考试时期看的东西有点少。

编辑于 2017-11-17

文章被以下专栏收录

    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。