磁化黑洞吸积盘的X射线辐射

论文摘要

快速旋转的黑洞是一个巨大的能库,它是驱动宇宙中一些高能天体的能源之一[1],因此研究与旋转黑洞有关的高能辐射现象极为重要。本文探讨了通过磁场从黑洞提取旋转能的两种机制,并着重讨论了磁耦合过程与高发射率指数、高频准周期振荡、极宽发射线以及非热X射线辐射等高能X射线现象之间的关系。在第一章的引言中我们对论文题目所涉及的三个领域做了简要的介绍。首先介绍了黑洞理论的发展、黑洞的一些特殊性质、提取黑洞旋转能的几种机制以及天体物理学中对黑洞的分类等。然后回顾了吸积盘理论和盘冕模型的发展。最后简要介绍了与黑洞吸积盘理论密切相关的X射线天文学的发展。在第二章,我们详细介绍了黑洞的磁层理论、等效电路理论、BZ过程和磁耦合过程的共存模型,并导出BZ过程和磁耦合过程从Kerr黑洞提取旋转能的功率。这一章是本论文的理论基础,第三章涉及共存模型的应用及有关讨论,所围绕的中心内容都是磁耦合过程对盘辐射产生的影响。我们的模型的有多方面的应用,本文主要讨论共存模型在解释X射线观测现象方面的应用:我们在3.1节讨论了磁耦合过程对盘的局部热辐射的影响,并解释了标准盘不能解释的高发射率指数。我们还比较了其它几个有利于解释高发射率指数的模型,说明能够很好地解释高发射率指数这个天文观测现象正好说明了磁耦合模型的合理性。针对X射线天文卫星RXTE观测到的高频准周期振荡现象,我们在3.2节利用非轴对称磁场先后建立了旋转热斑模型及旋转双热斑模型给予解释。主要的工作是推导在非轴对称磁场条件下磁耦合过程的提能功率,以及在等效电路中引入电感元件来计算重复发生磁场的螺旋不稳定性的时标。我们还对X射线天文学当中的一个重要的探测手段——极宽发射线进行了一些讨论。在3.3节当中,我们介绍了盘对X射线的反射及发射线的形成、谱线的展宽机制以及计算铁线轮廓的光线追踪法,最后讨论了磁耦合过程对铁线轮廓的影响。为了解释各类黑洞吸积盘系统中观测到的硬X射线发射,也为了完善我们的模型,使之更好地解释X射线天文现象,我们在3.4节引入盘冕。在简单介绍了盘冕模型之后,讨论了冕模型中涉及的盘与冕的能量平衡问题,然后给出了计算康普顿化出射谱的两个半解析的经验公式和蒙特卡罗方法的模拟过程,最后讨论了在BZMC共存模型中引入冕而得到的一些结果。最后,在第四章,我们对本文的主要结果做了简要总结,并指出了现有模型中一些有待发展的方面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 黑洞简介
• 1.2 黑洞吸积盘理论的发展
• 1.3 X 射线天文学的发展
• 2 黑洞磁层的等效电路理论和BZMC 模型
• 2.1 黑洞磁层理论
• 2.2 等效电路理论
• 2.3 BZMC 共存模型
• 3 BZMC 共存模型在高能天体物理中的应用
• 3.1 解释高发射率指数
• 3.2 高频准周期振荡与热斑模型
• 3.3 吸积盘的极宽发射线
• 3.4 硬X 射线的产生与冕
• 4 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录