超大质量双黑洞系统中的吸积盘Formationand.pptx
终于发现围绕着我们星系黑洞的吸积盘
2019.08/中国科技教育／67某些特大质量的黑洞是以拥有沿轨道运行的气体组成的炽热圆盘而宣告它们存在的。
但是银河系中心的“巨兽”却显得非常害羞与庄重。
现在，天文学家们终于发现了这个黑洞由陨落物质形成的发出微光的吸积盘，这是一个被长期怀疑但却从未被观察到的存在。
“我为我们终于能够看到它而惊讶不已。
”来自美国新泽西州普林斯顿高级研究院的天体物理学家Elena Murchikova 说道。
研究人员使用位于智利北部的ALMA 阵列（ALMA 阵列是一个国际合作的天文设施，由欧洲、北美、东亚与智利共和国合作运作。
工作波段位于毫米波和亚毫米波，由于其工作的波段处于人眼看不到的波长上，因此可以发现许多宇宙物体）发现了这个圆盘，他们在6月6日的《自然》杂志上就此作了报告。
以人马座A（Sagittarius A *）命名的银河系特大质量黑洞是一头“巨兽”，它的质量是太阳的400万倍。
当某些黑洞狼吞虎咽地将它周围的气体和尘埃吞下时，人马座A 却显得比较挑食。
这种“营养不良”的黑洞没有足够的“食物供给”而让它们周围的气体发出明亮的光芒，Murchikova 说道。
这个圆盘被削弱的光芒有助于解释为什么科学家可通过视界望远镜捕获到更加遥远的M87星系的中心黑洞图像，而迄今为止却没能观测到人马座A 图像的原因。
此前科学家们曾经在人马座A 附近观察到释放出高能X 射线的炙热（大约1 000万开氏度）气体云，以及围绕黑洞运动的恒星气体云，但是这些气体源看起来并不能组成一个整齐的、绕轨运行的圆盘。
Murchikova 和同事们将他们的搜寻聚焦于温度较低的气体上，它们大约10 000开氏度，位于距人马座A 2 800亿千米之内。
如果只观察炙热的气体，她解释道，就像通过聚焦沙漠的夏天而试图了解地球的气候。
“这2种气体都会坠入黑洞。
你需要1张全景图。
”Murchikova 说道。
ALMA 通过在1个特殊的波长内观察光粒子来对低温气体进行测量。
超大质量黑洞吸积辐射能谱的新规律揭示
超大质量黑洞吸积辐射能谱的新规律揭示
超大质量黑洞是宇宙中最具吸引力的天体之一，它们的存在和演化对宇宙的形成和发展有重要影响。
黑洞的质量越大，其吸积盘辐射的能谱也越强烈。
近期的研究发现了超大质量黑洞吸积辐射能谱中的一种新规律。
之前的研究表明，超大质量黑洞吸积辐射能谱的形状与黑洞的质量有关，即质量越大，能谱越宽。
然而，最新的研究发现了一个更为精确的关系，即能谱的宽度与黑洞质量的对数成线性关系。
研究人员对多个观测到的超大质量黑洞的能谱进行了分析，并与数值模拟数据进行了对比。
他们发现，所观测到的能谱宽度与黑洞质量的对数成线性关系的现象在不同黑洞和不同辐射波段上都得到了有效验证。
这个新规律对理解超大质量黑洞的演化和物理过程具有重要意义。
通过测量能谱的宽度，我们可以更准确地估计黑洞的质量，并推断黑洞的吸积过程和辐射机制。
此外，该规律还可以用于研究光学相对论效应和黑洞自旋等基本物理问题。
总的来说，这项研究揭示了超大质量黑洞吸积辐射能谱的新规律，为我们理解和研究这些神秘天体提供了新的线索。
这一发现有望促进我们对宇宙演化和黑洞物理的认识，为未来的研究提供更多的启示。
Supermassive Black Hole Binary in AGNs
3、次黑洞 穿过吸积盘
4、次黑洞 离开吸积盘
3、Slim盘：几何厚、光学厚 Slim盘 几何厚、 如果粘滞中等α~0.03，几何厚度较大δ=H/R>0.05（标准盘 如果粘滞中等α~0.03，几何厚度较大δ=H/R>0.05（标准盘 δ<0.01），q>qmin=10-3，轻盘→有gap <0.01），q>q ，轻盘→ 密度波以波模式传递能量： 1. 向外能量：因无外边界， 传递到无穷远处 2. 向内能量：吸积盘内边界 反射回gap内边界，内边 界再反射→能量聚积 外Lindblad位置
Supermassive Black Hole Binary in AGNs
刘富坤
北京大学天文系
2006年4月22日
内容
巨型双黑洞的形成
–形成于AGNs活动触发时 形成于AGNs活动触发时 形成于AGNs
双黑洞与各种吸积模式的相互作用
–知识主要来源于恒星-行星系统中行星与 知识主要来源于恒星知识主要来源于恒星 吸积盘相互作用
一个星系两个活动星系核：射电波段（VLBA） 一个星系两个活动星系核：射电波段（VLBA）
0402+379 (z=0.055)
1. 一个椭圆星系中 2. 双核分离：7.3 pc 3. 宽发射线：普线双峰 分离300 km/s 4. M∼1.5x108M⊙
4、喷流中断与再生： 、喷流中断与再生：
DDRG J0116-473（Liu, Wu, Cao, 2003） （ ）
观测现状 巨型双黑洞研究中的问题与未来
1、相互作用使低角动量
的气体流向中心黑洞，激 发类星体与活动星系的活 动：巨型黑洞吸积和增长
2、原星系中心的黑 洞形成巨型双黑洞
剧烈活动的超大质量黑洞(上)
观 测 证据 似 乎 有 利 于 黑洞 先 于 星
年发射 了宇宙背景探测卫星 ，以高 于 １ 的精度测量 了宇宙微波背景辐 ％ 射 的温度 。第一批观测发现辐射是 各 向同性 的，更加灵敏 的观测揭示 了对于完全的各 向同性有微小偏离， 称 为各 向异性 。 在改正 了地球 、 太阳、 银河系、本星系群和本超星系 团相 对 于普 遍哈 勃流 的合成运 动之后 ，
围着 中心正是表 明附近一定 隐藏着
一
个强大 的引力源 。否 则它们 就会
积周 围的物质 。由于它们的引力无 比巨大 ，因而 以不可抗拒 的态势将 它周 围密度极高 的物质—— 恒星和
星 际物 质 （ 气体和尘埃 ） 拖入它 的万
四散而去， 不至于形成图像里如此 明 显 的恒星集 中的亮 点。Ｎ Ｃ ０ ２星 Ｇ７５ 系 内有一个巨大的 （ 直径 ３ ０ 光年） ７０ 寒冷 的气体和尘埃盘 ，这个盘 的中 心有一个质量估计为３ 亿太 阳质 量 的超 大 质 量 黑洞 。 人们用 计算机 模拟 了椭 圆 星系 Ｎ Ｃ ０ ２的活动 。在 Ｇ ７５
现 在天体物理学家 以他们 称为
。
科 学 大 观 园
“ Ｂ＋＋”的机 制 来 说 明 喷流 的发 射 。这就 是一个黑洞 （） 加 （ ） Ｂ ， ＋ 一 个旋 转的吸积盘 ，加 （ ） ＋ 一个冻结
一
中一部分在宇 宙早期 已经形成 ，另 部 分 则在 后 来 通 过 星系 碰 撞 生 成 。关于天体物理学家们提 出的宇 宙版 “ 有鸡还是先有蛋”的问 先 题 ：超大质量 黑洞和它们 寄居 的星 系 ，究竟是哪个 出现在先 ？ 已有 的
吸积盘的蒸发与冕
Disk reconnection
Two solutions for disk-corona model
Mdot varying up and down hard/soft spectral transition
Change occurs at L~1037ergs/s (Mdot~1017g/s)
Change from outer thin disk to inner corona/ADAF
Done et al. 2004
经典吸积盘与冕的蒸发模型
Meyer & Meyer-Hofmeister 1994
X-rays
evaporation
disk BH/NS/WD
Conductive heat
corona
Large dT/dz Mass and energy exchange Originally aims to solve UV delay in DN outbursts
SED indicates hot plasma + cold gas, which is commonly thought to be corona+thin disk
Theoretical disk+corona model in AGNs
盘与冕特征：AGN盘辐射强，导致很强的逆 Compton散射
SED: power-law Radio: synchrotron IR: warm dust grain BBB: disk Soft x-ray excess+ hard X-ray tail: disk+comptonization+Bremsstrahlung 6.4keV fluorescent iron lines: reflection of hard X-rays
论述大质量黑洞吸积模型的原理
论述大质量黑洞吸积模型的原理
论述大质量黑洞吸积模型
引言
•介绍大质量黑洞的概念和重要性
•解释黑洞吸积模型的基本概念
理论背景
•简要介绍相对论和引力理论的基本原理
•说明黑洞形成的物理过程和条件
大质量黑洞的吸积现象
1.基础知识
–解释黑洞的质量和吸积过程的概念
–介绍黑洞周围的吸积盘和吸积流的形成
2.吸积盘模型
–详细解释吸积盘的结构和运动方式
–描述吸积盘中物质的特性和演化过程
–介绍吸积盘模型的发展和应用
3.吸积流模型
–解释吸积流的形成和特性
–比较吸积盘模型和吸积流模型的异同
大质量黑洞吸积模型的研究进展
•简述大质量黑洞吸积模型的历史发展
•介绍吸积模型在天文观测中的应用
•讨论目前的研究发现和未来可能的突破点
结论
•总结大质量黑洞吸积模型的重要性和应用前景
•强调继续研究的必要性，并展望未来可能的进展
以上是一份涵盖了大质量黑洞吸积模型的相关原理的文章，采用了Markdown格式，并按照标题副标题的形式进行组织。
文章遵守了相关规则，不含HTML字符、网址、图片和电话号码等内容。
超大质量双黑洞系统中的吸积盘Formationand
的而FRI射电星系中的吸积盘则很可能是非标准的
•观测：大约 7%的射电源属于X-形态源 [Leahy & Parma 92] •理论：喷流等离子体遗迹可探测时间大约一千万年，7%的探测概率意味 着低亮度的FRII射电星系寿命大约一亿年。这和测得的AGN寿命一致
rL
1
1 m
2/3
rs
m=
if 104
The whole inner region is destroyed by waves
if 104 and H/r<0.1
Opens a gap in the accretion disk The outer boundary of the gap:
evolution merging
Galaxy + galaxy
Normal galaxy
星系与活动星系的大统一模型（？）
gas: starbursts galaxy Evolution Short-lived AGNs
Martini 2004 106 yr tQ a few 108 yr
1.3、Gravitational Wave Astrophysics:
•观测：喷流遗迹与寄住星系盘垂直 •理论：在吸积盘与超大质量双黑洞发生相互作用前，吸积盘因角动量守恒 而与星系盘共面，因而产生的喷流与吸积盘和星系盘垂直
•观测：活动的喷流随机取向 •理论：新喷流方向垂直于双黑洞轨道面，而星系并合形成的超大质量双黑 洞相对于星系盘取向随机
Random distribution of jet orientations (Liu, Zhang, Wu, 2005, in preparation)
超大质量黑洞
(University of Warwick, retTremendous amounts of energy from the center of a galaxy Excess emission across almost all wavelengthes Accretion of mass onto SMBH (~1E6-1E10 Msun) Most luminous persistent sources of electromagnetic radiation Three key components
(Adapted from http://www2.iap.fr/users/volonter/)
Mechanism III: runaway collisions in dense stellar clusters
• Pros: proceed in regions with significant molecular gas, do not require extremely high inflow rates • Cons: smaller BH seeds with ~1E3 Msun
Distinguish btw mechanisms observationally
• Different predictions for the masses and space densities of the BH seeds
--- Measuring number density of z>4 AGNs, but limited to high-z optical quasars (e.g., Fan+06,Jiang+09, Willott+10, Mortlock+11) --- Searching for X-ray counterparts to high-z optical and IR sources (Fiore+10)
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evolution merging
Galaxy + galaxy
Normal galaxy
星系与活动星系的大统一模型（？）
gas: starbursts galaxy Evolution Short-lived AGNs
Martini 2004 106 yr tQ a few 108 yr
1.3、Gravitational Wave Astrophysics:
2、 超大质量超大质量双黑洞的形成 与pc尺度困难
束缚态超大质量双黑洞的形成
Galaxy interaction
动力学粘滞在这过程中起决定性作用
Dynamic friction
Bound SMBBHs
低角动量的气体流向中心黑洞，形成吸积盘，引发活 动星系核的活动。
• 在此时，双黑洞间的束缚能小于星系中背景恒星随 机运动能，双黑洞处于非束缚态：
MNRAS)
我们应该在紧邻星系中探测到 大量的超大质量双黑洞
现有的观测表明，近邻星系中并不存在 超大质量双黑洞！
so called
pc-scale problem
Possible
Hierarchical galaxy formation model is wrong or binary can lose its angular momentum due to other mechanism(s)
The binary may stall at ~100rg < a < ~10,000rg for a time-scale longer than the Hubble time-scale
Numerical computations dynamic friction:
(e.g. Yu 2002,
•Ultra-luminous infrared galaxy •Unusual optical morphology: interacting galaxy •Two x-ray active nuclei: luminous, hard X-ray
NGemC6is2si4on0,:strong neutral iron lines from both nuclei •aN~uc1le.a4r skeppcaration: ~1.5”=1.4 Kpc
背景恒星同时与双黑洞发生三体碰撞，获恒星的随机运动能 相当时，碰撞使恒星获得逃逸速度，而离开原来位置。 于是在双黑洞周围相空间形成无恒星的损失锥
GmM
ahd 4 2 (m M )
~3101 pc
q 0.1
(1
q)1
M 108 M
2
200km/s
LISA探测器的一个主要源
探测广义相对论预言的引力波， 检验广义相对论在极端条件下的适用性
NS + NS NS + BH WD + NS
Gravitational radiation
LIGRO, etc
Big bang
Gravitational radiation
LISA
SMBH + SMBH Gravitational radiation
a GM / 2
10
pc
M 108
m M
2
200km/s
• 当束缚能大于随机运动能时，双黑洞进入束缚态
Pre-merger candidates: 3C75A,B of double-pairs of radio jets
Two active nuclei in one galaxy
LISA
1.4、解释活动星系核中特殊观测特性
●解释VLBI尺度上射 电喷流的螺旋形结构
（Begelman et al , 1980, Nature）
4C12.50
●解释喷流喷嘴方向的 周期性进动：
BL Lac
●解释活动星系核中周期性光学爆发
BL Lac object OJ287: p=11.86 yr (Sillapaa et al. 1988, ApJ, Liu & Wu 200, A&A)
（•K2Mo0am0s3os,srsAaatpi,oJeL:t）qa=l.m, /M ~1/3 (major merger) •BH masses: ~ 107 M each
•2nd candidate: NGC3690/IC694 (Arp 299) [Ballo et al. 04]
双黑洞变硬
观测：几乎坐所有星系 中心都存在超大质量黑洞
理论和观测：小结构首先形成， 并合形成大的目前看到的星系
第一代大（中等）质量黑洞
星系并合不可避免地形成 超大质量双黑洞
吸积与并合形成超大质量黑洞 及其自转
Mice 星系的形成和演化
1.2、活动星系核供能问题
星系相互作用与并合产生的非对称作用使星系盘中气体角动量再 分布，低角动量的气体流向中心激发活动星系核的活动
超大质量双黑洞系统中的吸 积盘
刘富坤
北京大学天文系
目录
为什么研究大质量双黑洞及其吸积盘 大质量双黑洞的形成 大质量双黑洞与吸积盘的相互作用 大质量双黑洞的并合及引力波探测 结论
1、为什么要研究超大质量双黑洞
1.1、观测和ΛCDM宇宙学星系形成和演化理论
NGC4676：老鼠星系
在现在流行的ΛCDM宇宙学中，星系形成是一等级过程
于是，无动力学粘滞和恒星碰撞，角动量无法损失
在互相绕着质心旋转时，双黑洞产生引力波辐 射，可以带走角动量
The gravitational wave radiation becomes important only when [Liu, Wu, Cao 03]
a acr ~100rG ~ 103 pc
3、 超大质量双黑洞与吸积盘的相互 作用
由于活动星系核吸积盘半径
rd 104 rG ~ 0.11pc
双黑洞在变硬的时候就与吸积盘发生相互作用
对星系并合形成的超大质量双黑洞，与 吸积盘的相互作用决定了其变硬后的演 化命运
(Ivanov et al., 99, Liu, et al., 03, Liu 04)
我们不清楚双黑洞是如何开始与吸积盘发生相互 作用
• 两个假设:
• 吸积盘物质来源于星系 盘，于是因角动量守恒 而与星系盘共面。如果 有喷流，喷流则与星系 盘垂直