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黑洞吸积盘中的非稳态过程研究

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摘要

第一章 吸积盘简介

第一节 吸积相关物理量

第二节 吸积盘基本图像:标准薄盘简介

2.1 吸积流演化方程

2.2 简单的演化方程

2.3 吸积流演化的图像及相关时标

2.4 标准薄盘的解

2.5 标准薄盘的一些属性

第三节 吸积盘相关观测现象

3.1 初期恒星体

3.2 活动星系核

3.3 X射线双星

第四节 其它吸积盘模型:Slim盘、ADAF

4.1 细盘(Slim Disk)

4.2 径移主导吸积流(ADAF)

参考文献

第二章 吸积盘中的粘滞:延迟的粘滞形式

第一节 吸积盘粘滞的简介

1.1 流体中粘滞的作用

1.2 分子粘滞、湍动粘滞

1.3 吸积盘中粘滞的起源

第二节 延迟的α粘滞及其对标准薄盘稳定性的影响

2.1 模型

2.2 稳定性分析所需方程

2.3 吸积盘稳定性分析

2.4 总结及讨论

参考文献

第三章 数值模拟相关现象分析

第一节 数值模拟简介及相关研究进展

1.1 局地剪切盒模拟(Shearing Box Simulation)

1.2 全局数值模拟

第二节 粘滞涨落所引起的关系:延迟、功率谱关系

2.1 涨落量的相互关系

2.2 分析结果和数值模拟结果的比较

2.3 总结

附录:Pvis和PB的关系

参考文献

第四章 外流对吸积盘光变的影响

第一节 光变的研究方法及相关观测结果

1.1 功率谱、rms

1.2 连续功率谱

1.3 准周期振荡(QPO)

第二节 1/f连续功率谱的模型及其观测限制

2.1 唯象模型:散弹噪声模型

2.2 Lyubarskii方案

2.3 观测限制:σ和流量的关系

第三节 外流对1/f光变的影响

3.1 吸积率涨落的演化方程

3.2 光变分析

3.3 简单的分析及外流的影响

3.4 光变功率谱

3.5 总结

附录Ⅰ:关于Q的讨论

附录Ⅱ:ADAF下涨落的讨论

参考文献

第五章 研究展望

参考文献

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摘要

在天体物理吸积盘中,粘滞扮演着两种角色,一是转移角动量,一是加热吸积盘中的气体。这两个过程中,粘滞起到了决定性的作用。如此,假如粘滞有一定的涨落,必然导致其所涉及到的相应过程有一定的涨落,从而引起温度、压强、吸积率等参量有一定的变化。在某些情况下,甚至能够触发吸积盘的不稳定行为。
  在分析吸积盘稳定性的时候,传统的处理方法是直接使用α粘滞,也就是τ(1)(Ψ)=-αp,来考虑气体对粘滞的反馈。姑且不论气体对粘滞是否有影响,这种考虑方式就已脱离了实际的物理过程。因为它给出了零延迟的反馈行为,也就是:气体参数的涨落能够立即引起粘滞的涨落。为了修正这种行为,我们在第二章引入了延迟的粘滞形式,并分析延迟对吸积盘稳定性的影响。分析结果显示,延迟能够降低标准薄盘热力学不稳定的增长率,但不会改变不稳定的判据及粘滞不稳定的增长率。我们还给出了长波扰动下,不稳定增长率ω对延迟时间tps的依赖关系。这个关系显示:在延迟时间tps比较大的时候,热力学不稳定的增长时标约等于tps。延迟能够改变标准薄盘热力学不稳定的增长率,必然也能够在一定程度上影响这种不稳定触发的行为,如:Limit-cycle。另外,我们也对延迟时标做了适当的讨论,得到的结果为:tps(>)(~)tth,也就是延迟时标约等于或大于一个热力学时标。
  在稳定的吸积流中,粘滞的涨落能够引起气体参量的变化。在第三章,我们根据能量方程(及恒定面密度)研究了标准薄盘中粘滞耗散的涨落所导致的一些现象,如延迟、功率谱的关系、相关性等等。分析显示:[1]气体内能相对于磁场能量有一定的延迟,长时标涨落下的延迟时间约为一个热力学时标,这成功地解释了数值模拟中发现的延迟现象;[2]气体内能涨落的幅度小于磁场能量涨落的幅度,这跟数值模拟得到的结果很好地吻合;[3]气体压强表现出与磁剪切粘滞的相关,分析得到的相关关系跟数值模拟给出的关系一致。
  在第四章,我们研究了粘滞涨落所引起的吸积率的涨落的传播行为,主要是依据Lyubarskii方案,考虑了外流对吸积盘光变的影响。在假设了(M)随半径变化的函数为M∝rs时,我们得到的光变功率谱为:P(f)∝f-β,这里,β参数与具体的吸积流相关:对于ADAF,β=1+4s/3;对于NDAF,β=1+5s/2;而对于标准薄盘的外区、中区及内区,β分别为1+40s/(25-6s)、1+10s/(7-2s)和1+4s/(7-4s)。而内区吸积率的涨落,其功率谱谱指数介于上面给出的表达式和1之间。从这些表达式可以看出,伽马射线暴中心引擎的光变功率谱谱指数β通常高于光子冷却主导的吸积流。同时,β数值与外流参数s的关联暗示,通过光变功率谱谱指数可以估计吸积盘中外流的强度。我们将这些结果应用到CygX-1中,发现给出的功率谱谱指数跟观测数据相当接近。

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