黑洞吸積系統(tǒng)的多信使研究.pdf

1、當(dāng)前，多信使天文學(xué)為研究黑洞吸積系統(tǒng)提供了前所未有的機(jī)遇。這篇論文探討了利用引力波、射電、紅外、光學(xué)、紫外以及X-射線觀測(cè)手段研究黑洞吸積系統(tǒng)。利用這些研究結(jié)果，我們討論了引力波做為伽瑪射線暴中心引擎的探針，中等質(zhì)量黑洞是否存在，活動(dòng)星系核的光變行為以及在宇宙結(jié)構(gòu)形成與演化方面所扮演的角色。本文主要可以分為以下四個(gè)部分:
　　在第二章，我們討論了利用射電觀測(cè)搜尋球狀星團(tuán)中心的中等質(zhì)量黑洞的可行性。為此，我們發(fā)展了Maccarone

2、提出的一整套利用射電觀測(cè)搜尋中等質(zhì)量黑洞的方案:受最新數(shù)值模擬以及觀測(cè)的啟發(fā)，我們認(rèn)為中等質(zhì)量黑洞的吸積流中很可能存在劇烈的外流?；谶@個(gè)假設(shè)，我們發(fā)現(xiàn)吸積流內(nèi)區(qū)的吸積率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外區(qū)吸積率（前人的工作過高的估計(jì)了吸積率）。在此基礎(chǔ)上，我們重新估計(jì)了中等質(zhì)量黑洞吸積產(chǎn)生的射電輻射。通過將我們的結(jié)果與目前的射電觀測(cè)進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)目前的觀測(cè)還無法有效地排除中等質(zhì)量黑洞的存在。
　　在第三章，我們主要從理論上討論了伽瑪射線暴中由于噴流

3、進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的引力波輻射。為此，我們考慮中微子主導(dǎo)吸積流做為伽瑪射線暴的中心引擎。吸積流的角動(dòng)量方向與黑洞的自旋方向并不平行。我們預(yù)期吸積流的內(nèi)區(qū)被黑洞所準(zhǔn)直，而外區(qū)繼續(xù)保持其角動(dòng)量方向。因此，黑洞以及吸積流的內(nèi)區(qū)（以及噴流）相對(duì)外區(qū)會(huì)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)行為。這種進(jìn)動(dòng)行為將產(chǎn)生引力波輻射。我們利用后牛頓近似計(jì)算了引力波輻射的強(qiáng)度，并將結(jié)果與正在規(guī)劃中的引力波探測(cè)器的儀器靈敏度進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)未來的引力波探測(cè)器能夠有效探測(cè)臨近的伽瑪射線

4、暴（包括“失敗”伽瑪射線暴）以及Ib/c型超新星爆發(fā)。
　　在第四章，我們主要利用多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了活動(dòng)星系核及其宿主星系在黑洞質(zhì)量-星系總的恒星質(zhì)量平面上的演化行為。我們從COSMOS和CDF-S巡天中選擇了69個(gè)同時(shí)擁有紅外，光學(xué)，紫外和X-射線的z＜2.1的活動(dòng)星系核:(1)利用遠(yuǎn)紅外觀測(cè)，我們準(zhǔn)確的測(cè)量了這些活動(dòng)星系核的宿主星系的恒星形成率;(2)利用近紅外，光學(xué)和紫外觀測(cè)，我們采用SED擬合的方法分離了活動(dòng)星系核和宿主

5、星系的貢獻(xiàn)，并且測(cè)量了宿主星系恒星的總質(zhì)量和活動(dòng)星系核的吸積盤輻射光度;(3)綜合活動(dòng)星系核的X-射線觀測(cè)和SED擬合的結(jié)果，我們較為準(zhǔn)確地測(cè)量了活動(dòng)星系核的熱光度，并計(jì)算了中心超大質(zhì)量黑洞的吸積率;(4)我們利用單歷元維里化黑洞質(zhì)量估計(jì)方法（Hβ和MgⅡ）測(cè)量了中心超大質(zhì)量黑洞的黑洞質(zhì)量。利用這些結(jié)果，我們討論了黑洞質(zhì)量-星系恒星的總質(zhì)量這一關(guān)系的宇宙學(xué)演化。我們的結(jié)果支持，從z～2到z～0，黑洞質(zhì)量-星系恒星的總質(zhì)量這一關(guān)系沒有顯著

6、地演化。我們還發(fā)現(xiàn)，處于偏離黑洞質(zhì)量-星系恒星的總質(zhì)量關(guān)系的活動(dòng)星系核的演化矢量的方向與質(zhì)量比成反比。我們利用超大質(zhì)量黑洞以及宿主星系的質(zhì)量增長率估計(jì)了活動(dòng)星系核的活動(dòng)占空比。我們發(fā)現(xiàn)，為了保持黑洞質(zhì)量-星系總的恒星質(zhì)量關(guān)系，活動(dòng)星系核的活動(dòng)占空比～10％
　　在第五章中，我們集中討論了活動(dòng)星系核的光學(xué)連續(xù)譜和寬發(fā)射線（Hβ和MgⅡ）的光變行為。我們利用了斯隆數(shù)字巡天之反響映射項(xiàng)目的數(shù)據(jù)研究了活動(dòng)星系核的上述光變行為。這是目前為止

7、利用光譜數(shù)據(jù)對(duì)活動(dòng)星系核進(jìn)行的最大規(guī)模的寬發(fā)射線光變研究。首先，我們確認(rèn)了活動(dòng)星系核的光學(xué)連續(xù)譜的光變幅度隨著光度的增加而減小，連續(xù)譜的光變曲線可以很好地用阻尼隨機(jī)行走這一模型描述。其次，我們第一次證實(shí)了大量的活動(dòng)星系核的MgⅡ存在光變行為，這一發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)在和將來利用MgⅡ進(jìn)行活動(dòng)星系核反響映射研究奠定了基礎(chǔ)。第三，我們比較了連續(xù)譜和發(fā)射線的光變行為，并在此基礎(chǔ)上討論了寬線區(qū)的性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于連續(xù)譜，發(fā)射線的光變隨間隔時(shí)間的增加更慢

8、，這預(yù)示著寬線區(qū)的結(jié)構(gòu)函數(shù)不是δ函數(shù)。另外，Hβ的光變幅度大于MgⅡ，這意味著二者的產(chǎn)生機(jī)制不同。我們的結(jié)果對(duì)未來反響映射研究有重要意義。
　　在最后一章中，我們討論了我們的工作在未來可以進(jìn)一步拓展的研究點(diǎn)。這些研究點(diǎn)主要包括:(1)研究中等質(zhì)量黑洞最好的候選體HLX-1的爆發(fā)行為;(2)利用寬發(fā)射線譜形變化信息限制活動(dòng)星系核的寬線區(qū)性質(zhì);(3)研究黑洞質(zhì)量-宿主星系總的恒星質(zhì)量這一關(guān)系的斜率以及固有彌散等方面的宇宙學(xué)演化;(4)