黑洞吸积系统的多信使研究

摘要

当前，多信使天文学为研究黑洞吸积系统提供了前所未有的机遇。这篇论文探讨了利用引力波、射电、红外、光学、紫外以及X-射线观测手段研究黑洞吸积系统。利用这些研究结果，我们讨论了引力波做为伽玛射线暴中心引擎的探针，中等质量黑洞是否存在，活动星系核的光变行为以及在宇宙结构形成与演化方面所扮演的角色。本文主要可以分为以下四个部分:
　　在第二章，我们讨论了利用射电观测搜寻球状星团中心的中等质量黑洞的可行性。为此，我们发展了Maccarone提出的一整套利用射电观测搜寻中等质量黑洞的方案:受最新数值模拟以及观测的启发，我们认为中等质量黑洞的吸积流中很可能存在剧烈的外流。基于这个假设，我们发现吸积流内区的吸积率远远小于外区吸积率（前人的工作过高的估计了吸积率）。在此基础上，我们重新估计了中等质量黑洞吸积产生的射电辐射。通过将我们的结果与目前的射电观测进行比较，我们发现目前的观测还无法有效地排除中等质量黑洞的存在。
　　在第三章，我们主要从理论上讨论了伽玛射线暴中由于喷流进动产生的引力波辐射。为此，我们考虑中微子主导吸积流做为伽玛射线暴的中心引擎。吸积流的角动量方向与黑洞的自旋方向并不平行。我们预期吸积流的内区被黑洞所准直，而外区继续保持其角动量方向。因此，黑洞以及吸积流的内区（以及喷流）相对外区会产生进动行为。这种进动行为将产生引力波辐射。我们利用后牛顿近似计算了引力波辐射的强度，并将结果与正在规划中的引力波探测器的仪器灵敏度进行了比较。在此基础上，我们发现未来的引力波探测器能够有效探测临近的伽玛射线暴（包括“失败”伽玛射线暴）以及Ib/c型超新星爆发。
　　在第四章，我们主要利用多波段观测数据研究了活动星系核及其宿主星系在黑洞质量-星系总的恒星质量平面上的演化行为。我们从COSMOS和CDF-S巡天中选择了69个同时拥有红外，光学，紫外和X-射线的z＜2.1的活动星系核:(1)利用远红外观测，我们准确的测量了这些活动星系核的宿主星系的恒星形成率;(2)利用近红外，光学和紫外观测，我们采用SED拟合的方法分离了活动星系核和宿主星系的贡献，并且测量了宿主星系恒星的总质量和活动星系核的吸积盘辐射光度;(3)综合活动星系核的X-射线观测和SED拟合的结果，我们较为准确地测量了活动星系核的热光度，并计算了中心超大质量黑洞的吸积率;(4)我们利用单历元维里化黑洞质量估计方法（Hβ和MgⅡ）测量了中心超大质量黑洞的黑洞质量。利用这些结果，我们讨论了黑洞质量-星系恒星的总质量这一关系的宇宙学演化。我们的结果支持，从z～2到z～0，黑洞质量-星系恒星的总质量这一关系没有显著地演化。我们还发现，处于偏离黑洞质量-星系恒星的总质量关系的活动星系核的演化矢量的方向与质量比成反比。我们利用超大质量黑洞以及宿主星系的质量增长率估计了活动星系核的活动占空比。我们发现，为了保持黑洞质量-星系总的恒星质量关系，活动星系核的活动占空比～10％
　　在第五章中，我们集中讨论了活动星系核的光学连续谱和宽发射线（Hβ和MgⅡ）的光变行为。我们利用了斯隆数字巡天之反响映射项目的数据研究了活动星系核的上述光变行为。这是目前为止利用光谱数据对活动星系核进行的最大规模的宽发射线光变研究。首先，我们确认了活动星系核的光学连续谱的光变幅度随着光度的增加而减小，连续谱的光变曲线可以很好地用阻尼随机行走这一模型描述。其次，我们第一次证实了大量的活动星系核的MgⅡ存在光变行为，这一发现为现在和将来利用MgⅡ进行活动星系核反响映射研究奠定了基础。第三，我们比较了连续谱和发射线的光变行为，并在此基础上讨论了宽线区的性质。我们发现，相对于连续谱，发射线的光变随间隔时间的增加更慢，这预示着宽线区的结构函数不是δ函数。另外，Hβ的光变幅度大于MgⅡ，这意味着二者的产生机制不同。我们的结果对未来反响映射研究有重要意义。
　　在最后一章中，我们讨论了我们的工作在未来可以进一步拓展的研究点。这些研究点主要包括:(1)研究中等质量黑洞最好的候选体HLX-1的爆发行为;(2)利用宽发射线谱形变化信息限制活动星系核的宽线区性质;(3)研究黑洞质量-宿主星系总的恒星质量这一关系的斜率以及固有弥散等方面的宇宙学演化;(4)利用更为全面的样本讨论活动星系核的统一模型。

目录

声明

摘要

第一章 简介

1．1 黑洞吸积流简述

1．1．1 黑洞

1．1．2 吸积流

1．2 活动星系核简述

1．3 本文的结构

第二章 球状星团中的中等质量黑洞

2．1 搜寻球状星团中心的中等质量黑洞的方法

2．2 对Maccarone模型的发展

2．3 吸积率与射电光度的关系

2．4 总结与讨论

第三章 利用引力波探测伽玛射线暴

3．1 伽玛射线暴以及进动

3．1．1 进动的具体描述

3．2 吸积流内区进动产生的引力波

3．3 数值计算结果

3．3．1 进动周期

3．3．2 引力波辐射与黑洞自旋

3．3．3 引力波辐射与进动周期

3．3．4 引力波辐射功率

3．4 结论与讨论

第四章 黑洞-宿主星系标度关系的演化和产星星系中的活动星系核活动占空比

4．1 黑洞-星系标度关系简介

4．2 选择样本

4．2．1 COSMOS中的宽线活动星系核

4．2．2 CDF-S中的宽线活动星系核

4．2．3 总的宽线活动星系核

4．3 测量活动星系核及其宿主星系的性质

4．3．1 测量黑洞质量

4．3．2 测量星系的恒星总质量

4．3．3 测量吸积率

4．3．4 测量恒星形成率

4．3．5 各个量的误差

4．4 活动星系核及其宿主星系的共同演化

4．4．1 选择偏差

4．4．2 产星星系的黑洞-星系标度关系

4．5 黑洞-星系标度关系的瞬时演化

4．6 讨论

4．6．1 构建近邻星系的黑洞-星系标度关系

4．6．2 超大质量黑洞及其宿主星系的增长

4．6．3 宿主星系为产星星系的活动星系核的占空比

4．7 总结

第五章 斯隆反响映射项目：类星体的宽发射线的系综光变

5．1 类星体的光变特征以及反响映射法

5．1．1 类星体的光变特征

5．1．2 反响映射法

5．2 样本定义

5．2．1 来自斯隆数字巡天之反响映射项目的类星体

5．2．2 来自斯隆数字巡天一期／二期的类星体

5．3 光变曲线的研究

5．3．1 光变曲线的基本性质

5．3．2 光变曲线的光变性质

5．4 △m的观测分布

5．5 结构函数：光变做为时间间隔的函数

5．5．1 定义

5．5．2 阻尼随机行走模型

5．6 连续谱的结构函数

5．6．1 3000 A连续谱

5．6．2 5100 A连续谱

5．7 宽发射线的结构函数

5．7．1 MgⅡ

5．7．2 Hβ

5．8 讨论：类星体光变的物理机制

5．8．1 类星体的光变与类星体的性质之间的联系

5．8．2 对反响映射项目的启示

5．8．3 宽发射线的转移函数

5．9 总结

5．10 附录A：结构函数估计方法

5．11 附录B：斯隆数字巡天之反响映射项目的分光光度误差

5．11．1 标准星的结构函数

5．11．2 [OⅢ]的结构函数

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 未来展望

6．2．1 理解HLX-1的爆发行为

6．2．2 活动星系核的宽发射线轮廓的光变分析

6．2．3 高红移处黑洞质量与宿主星系之间的相关性

6．2．4 新的活动星系核统一模型

参考文献

发表的文章列表

致谢