Blandford-Znajek过程 ——伽玛射线暴的中心发动机

论文摘要

伽玛暴是来自宇宙学空间的一种短时标的伽玛射线突然增强的现象,它的研究已经成为当今天文学和物理学的热点之一。普遍认为,伽玛暴可能来自中子星-黑洞合并或者大质量恒星塌缩,其结果都会形成一个旋转黑洞（Kerr黑洞）,周围围绕一个吸积盘（或环）。如果穿过黑洞的磁场达到101 5G,则大约10 53ergs的黑洞旋转能可通过磁场迅速地提取出来,这个旋转黑洞可以成为驱动伽玛暴的中心发动机。通过磁场从旋转黑洞提取能量和角动量到天体物理负载的过程称为Blandford-Znajek （BZ）过程。它原来是为了解释活动星系核（AGNs）喷流的能源机制而提出的。在这个过程中,磁场连接黑洞和天体物理负载,黑洞视界面的快速旋转带动磁场旋转,转动的磁场又把能量和角动量传递到天体物理负载区而形成喷流。MC过程是BZ过程的一个变种:在MC过程中,磁场连接黑洞视界面和吸积盘,形成一个磁耦合系统。能量和角动量可以通过大尺度磁场在黑洞和吸积盘之间传递。当黑洞的角速度大于磁场所连接的盘的角速度时,能量和角动量从黑洞转移到盘上;反之则从盘上转移到黑洞。BZ过程可为伽玛暴提供十分“干净”的能源,被认为是解释伽玛暴中心发动机的一种非常可能的模型。本人在攻读博士学位期间对BZ过程驱动伽玛暴的模型进行了较系统的研究,其中包括:（1）研究了伽玛暴中心黑洞的演化和BZ过程的能量提取。伽玛暴中心一般是一个黑洞-暂态盘系统。我们讨论了各种参数条件下黑洞的演化特征和能量提取。发现磁力线角速度与黑洞视界面上的角速度的比值k对黑洞演化和BZ过程能量提取的影响较大。当k取大于0.5118的值时,BZ过程提取能量的效率更高;（2）研究了伽玛暴/超新星的能源机制。观测显示长暴（持续时间大于2s的伽玛暴）与超新星成协。我们提出了一种通过BZ和MC过程共存解释伽玛暴与超新星成协的理想模型。其中MC过程提供超新星爆发所需的动能,BZ过程提供伽玛暴所需的能量,伽玛暴的持续时间由开磁通在视界面上的半开角的演化时标决定;（3）研究了伽玛暴中心黑洞磁层的螺旋不稳定性对从黑洞提能的影响。黑洞的旋转拖动磁力线,使其既有环向分量,又有极向分量,这样的磁场位形可能发生螺旋不稳定。我们研究了MC过程螺旋不稳定发生的条件,发现只要BZ和MC过程共存,闭合磁场就会发生螺旋不稳定。这种不稳定限定了MC过程的外边界,同时使得BZ和MC过程能够提取更多黑洞的旋转能。（4）研究了伽玛暴的快速光变。由于BZ过程中的开磁场也可能发生螺旋不稳定,我们提出通过BZ过程的螺旋不稳定解释伽玛暴快速光变的理想模型。当螺旋不稳定发生时,开磁力线的环向磁能释放,对应伽玛暴光变曲线上的一个尖峰。黑洞旋转扭转磁力线,使其反复发生螺旋不稳定从而导致伽玛暴的复杂光变。我们在磁层的子回路中引入电感,并建立了相应的等效电路模型。螺旋不稳定性的发生使电感的磁能迅速释放,当黑洞旋转使环向磁场逐渐恢复时,电感中的磁能逐渐增加,从而导致下一次螺旋不稳定的发生,…伽玛暴的光变时标可以通过R-L等效电路的驰豫时间来估计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 伽玛射线暴
• 1.2 黑洞吸积盘理论
• 1.3 伽玛暴的中心发动机与黑洞吸积盘
• 1.4 论文结构
• 2 伽玛暴的能量机制
• 2.1 伽玛暴的中心能量机制与BLANDFORD-ZNAJEK 过程
• 2.2 BLANDFORD-ZNAJEK 过程
• 2.3 本章小结
• 3 黑洞暂态盘系统中的BZ 过程与伽玛暴
• 3.1 黑洞暂态盘系统中的BZ 过程
• 3.2 黑洞的演化与伽玛暴能量和时标的影响
• 3.3 本章小结
• 4 用BZMC 共存模型解释伽玛暴与超新星成协
• 4.1 伽玛暴与超新星成协
• 4.2 BZMC 共存模型
• 4.3 BZMC 共存模型解释伽玛暴/超新星的能源机制
• 4.4 本章小结
• 5 磁层的螺旋不稳定性与伽玛暴
• 5.1 磁流体的不稳定性
• 5.2 MC 过程的螺旋不稳定性与伽玛暴
• 5.3 BZ 过程的螺旋不稳定性与伽玛暴的光变
• 5.4 本章小结
• 6 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间完成的论文目录