徐佳迪姜志雄龔小龍2)?

1)(長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,荊州 434023)2)(北京師范大學(xué)天文系,北京 100875)(2016年8月22日收到;2016年9月25日收到修改稿)

黑洞吸積盤系統(tǒng)的噴流加速機(jī)制研究?

徐佳迪1)姜志雄1)龔小龍1)2)?

1)(長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,荊州 434023)2)(北京師范大學(xué)天文系,北京 100875)(2016年8月22日收到;2016年9月25日收到修改稿)

提出了一種從旋轉(zhuǎn)黑洞吸積盤熱冕系統(tǒng)中提取能量的噴流加速機(jī)制.在吸積盤熱冕中,通過(guò)求解廣義相對(duì)論框架下的盤冕系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,得出了吸積盤熱冕內(nèi)區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度;進(jìn)一步根據(jù)黑洞磁層的電路理論推導(dǎo)出噴流功率的解析表達(dá)式.結(jié)果表明:模型中噴流功率隨著黑洞自轉(zhuǎn)參數(shù)a?和磁力矩參數(shù)?ε的增加而明顯增大,并且大部分功率應(yīng)來(lái)自于在吸積盤熱冕系統(tǒng)的內(nèi)區(qū).此外,用一組高功率噴流的活動(dòng)星系核樣本探討了該噴流加速機(jī)制,分析表明所有高功率噴流源能被模型噴流功率所擬合.

吸積,吸積盤,噴流,冕

1 引 言

眾所周知,大尺度的射電噴流普遍存在于活動(dòng)星系核、X射線雙星等各類天體中.盡管噴流的形態(tài)千差萬(wàn)別,但它們共同的特征是氣體從致密天體的核心部分被高速拋射出去,形成充滿熱等離子體的柱狀結(jié)構(gòu).關(guān)于噴流加速和準(zhǔn)直的詳細(xì)機(jī)制目前還尚未有公論,但是噴流與磁化吸積盤或中心大質(zhì)量黑洞存在著緊密聯(lián)系,這已經(jīng)被哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡和甚長(zhǎng)基線干涉儀的觀測(cè)所證實(shí).很多學(xué)者一致認(rèn)為射電噴流的形成與天體中心的旋轉(zhuǎn)黑洞和吸積盤的大尺度磁場(chǎng)有關(guān)[1?3].

為了解釋噴流的加速機(jī)制,學(xué)者們已經(jīng)提出了一些噴流的理論模型,常見(jiàn)的有Blandford-Znajek(BZ)機(jī)制[4],Bland ford-Payne(BP)機(jī)制[5]、輻射壓加速噴流機(jī)制[6],Meier[7]提出的雜化噴流模型等.在BZ機(jī)制中,Kerr黑洞的旋轉(zhuǎn)能量可以被連接黑洞視界的大尺度極向磁場(chǎng)提取出來(lái),用以解釋噴流的功率.BP機(jī)制對(duì)于解釋噴流的產(chǎn)生也是一種重要的機(jī)制.在該機(jī)制中,吸積物質(zhì)的能量和角動(dòng)量被盤表面的磁場(chǎng)從吸積盤中提取出來(lái).在上述工作的基礎(chǔ)上,Macdonald和Thorne[8]在廣義相對(duì)論框架下的Kerr 3+1時(shí)空中重新定義和拓展了BZ理論并利用等效電路得出了黑洞功率和盤功率的解析表達(dá)式.

大尺度磁場(chǎng)在噴流的加速機(jī)制中有著極其重要的地位,觀測(cè)已發(fā)現(xiàn)致密天體附近明顯地存在著大尺度磁場(chǎng).理論研究已表明大尺度磁場(chǎng)的強(qiáng)度與吸積盤系統(tǒng)的相對(duì)高度成正比[9,10],通常薄盤的大尺度磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱,而徑移主導(dǎo)吸積流[11,12]或者是熱冕極向磁場(chǎng)往往較強(qiáng).正是由于熱冕的厚度比薄盤大,因此冕區(qū)的磁場(chǎng)及其發(fā)射的噴流功率應(yīng)該明顯比薄盤大[13].最近Cao等[14,15]指出,對(duì)于徑移主導(dǎo)吸積流,僅BZ機(jī)制是不能解釋BL Lac天體和射電星系的噴流的加速.在高吸積率標(biāo)準(zhǔn)薄盤情況下,研究也表明部分射電類星體的噴流功率會(huì)遠(yuǎn)高于BZ機(jī)制所能達(dá)到的上限,因而噴流應(yīng)該是被盤冕中的磁場(chǎng)加速的[16].

天文上估計(jì)噴流功率的方法對(duì)于量化活動(dòng)星系核中央引擎的輸出功率相當(dāng)重要.到目前為止,觀測(cè)估算噴流功率通常有三種方法:第一種方法是利用射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù),例如1999年W illot等[17]最早在151頻段用來(lái)自射電瓣的通量估計(jì)了噴流的功率值,并給出了噴流功率與射電光度之間的經(jīng)驗(yàn)公式;第二種方法是利用X射線天文衛(wèi)星觀測(cè)噴流與周圍星際物質(zhì)產(chǎn)生的孔洞(cavity)數(shù)據(jù),該方法主要利用噴流形成的孔洞向外膨脹的動(dòng)能去估算噴流功率,例如Allen等[18](2006年),McNamara等[19](2011年),Zhang等[20](2014年)的工作;第三種方法主要是Ghisellini等[21,22](2009,2010年)的工作,他們?cè)贔ermi天文衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用多波段能譜擬合的方法估算出了相應(yīng)天體的噴流功率、吸積率等數(shù)據(jù).

最近,我們提出了一種廣義相對(duì)論框架下的吸積盤熱冕模型[23],并利用Monet-Carlo方法模擬出了不同參數(shù)下盤冕系統(tǒng)的能譜;進(jìn)一步用盤冕情況下磁場(chǎng)加速噴流模型擬合了一組射電噪類星體樣本的噴流功率觀測(cè)值,但結(jié)果表明理論值無(wú)法解釋少數(shù)具有高噴流功率值的樣本[24].

作為以上工作的延續(xù),本文進(jìn)一步改進(jìn)本課題組所提出的模型,并重新選取一組具有更高噴流功率值的樣本進(jìn)行觀測(cè)擬合.本文的第二部分和第三部分是對(duì)理論模型的描述;第四部分用所提模型去擬合一組具有極高噴流功率值的耀變體(Blazar)樣本(一類活動(dòng)星系核),其噴流功率的天文觀測(cè)估計(jì)值選自Ghisellini等[21]的工作;第五部分是對(duì)結(jié)果的總結(jié)和展望.

2 吸積盤和熱冕

本文在牛頓力學(xué)的吸積盤-冕模型的基礎(chǔ)上[25],研究廣義相對(duì)論框架下的吸積盤熱冕系統(tǒng).在該盤冕系統(tǒng)中幾何厚光學(xué)薄吸積盤環(huán)繞旋轉(zhuǎn)Kerr黑洞,同時(shí)吸積盤上下被兩層磁化的平板冕包夾,部分吸積物質(zhì)引力勢(shì)能耗散在熱冕中.研究中采用了由Novikov和Thorne[26]以及Page和Thorne[27]提出的廣義相對(duì)論下穩(wěn)態(tài)的、幾何對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)薄盤解.在他們的模型中,假設(shè)盤的內(nèi)邊緣不存在由磁場(chǎng)產(chǎn)生的應(yīng)力,即“無(wú)力矩內(nèi)邊界條件”.在這種情形下,吸積氣體如果到達(dá)穩(wěn)定軌道的最小半徑r=rms處就會(huì)離開(kāi)吸積盤以螺旋運(yùn)動(dòng)的方式掉進(jìn)黑洞.所以,與位于r≥rms處的吸積氣體相比,位于r＜rms處的吸積氣體密度實(shí)際上趨于0,這就意味著沒(méi)有黏滯應(yīng)力作用在吸積盤r=rms處的切面上.此時(shí)耗散在吸積盤熱冕系統(tǒng)單位表面積上的總引力勢(shì)能由以下公式得出[27]:

其中,盤中物質(zhì)的比能量 E+和比角動(dòng)量 L+可表示為

同時(shí)耗散在冕中的功率為

式中,Pm為磁壓,υP為盤中磁通量垂向傳輸速度.我們假設(shè)該速度與其內(nèi)部的Alfven速度 υA成正比,即υP=bυA.吸積盤的垂向壓力平衡方程為

這里H是吸積盤的高度;P和ρ分別為壓強(qiáng)和盤的密度;A,B,C,D,E是廣義相對(duì)論修正因子[26].吸積盤能量守恒方程為[26]

這里α是黏滯系數(shù),計(jì)算中取α=0.3.

吸積氣體的狀態(tài)方程為

這里Ptot是盤的總壓強(qiáng)(氣壓與輻射壓之和),a是輻射常數(shù),mp是質(zhì)子靜止質(zhì)量,T和 ρ0分別為盤內(nèi)溫度和物質(zhì)密度.通常磁壓可取

而盤冕系統(tǒng)中能量傳輸方程為

這里κ為 Rosseland常數(shù),a0是盤冕反射反照率,通常反照率非常低.并且大部分來(lái)自盤冕的事件光子碰到吸積盤后會(huì)以黑體輻射形式被輻射出去,本文計(jì)算中取a0=0.1[29].

用數(shù)值方法解方程(5)—(12),可得出冕中耗散的功率Qcor,它是關(guān)于半徑r的函數(shù).求解方法與我們前期工作相同[23].

3 盤冕噴流

下面我們討論由熱冕中磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴流的噴流加速機(jī)制.考慮到部分盤冕功率Qcor被用來(lái)加熱冕,因此熱冕中的磁能密度為

式中t0=Hcor/vdiss為耗散時(shí)間,其中Hcor是盤冕的高度.而耗散速度vdiss由吸積盤對(duì)冕的加熱過(guò)程決定,計(jì)算中取vdiss=0.01c,η=0.5.

對(duì)于大尺度磁場(chǎng),一些學(xué)者認(rèn)為由發(fā)電機(jī)機(jī)制產(chǎn)生的小尺度磁場(chǎng)可以生成大尺度磁場(chǎng)[9,10],并且盤冕系統(tǒng)中的極向磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于冕中磁流管的高度和磁重聯(lián)的能力.為方便計(jì)算,我們假設(shè)大尺度磁場(chǎng)極向分量的強(qiáng)度可近似表示為

式中Ha為冕中磁流管的典型高度.通常磁流管的高度會(huì)明顯大于盤的厚度,在本文計(jì)算中取Ha=2rms,rms為吸積盤最內(nèi)穩(wěn)定軌道半徑.

圖1給出了黑洞旋轉(zhuǎn)參數(shù)a?取不同值時(shí)BP隨徑向參數(shù)ξ=r/rms的變化.注意磁場(chǎng)BP以為單位,˙M是吸積率,M是黑洞質(zhì)量.觀察圖1,我們發(fā)現(xiàn)大尺度極向磁場(chǎng)強(qiáng)度BP的值隨著盤半經(jīng)r的增大而減小,近似地表現(xiàn)為負(fù)冪率關(guān)系.該結(jié)果與Bland ford等[5]的工作和預(yù)期是相符的,在其提出的BP過(guò)程中就直接闡明吸積盤上的大磁度磁場(chǎng)應(yīng)滿足B=r?3的關(guān)系[5].通過(guò)圖1(a)可見(jiàn),磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著黑洞旋轉(zhuǎn)參數(shù)a?的增加而增強(qiáng).事實(shí)上由Kerr黑洞的Frame-dragging效應(yīng)可知,黑洞自轉(zhuǎn)加速時(shí)盤冕系統(tǒng)內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)的明顯增強(qiáng)應(yīng)是一個(gè)可以預(yù)期的結(jié)果.從圖1(b)可見(jiàn)隨著磁力矩參數(shù)?ε的增大,磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)明顯增強(qiáng).顯然參數(shù)?ε越大意味著從吸入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)入盤內(nèi)區(qū)的能量越多,這將直接導(dǎo)致內(nèi)區(qū)磁能密度的增大.

圖1 極向磁場(chǎng)Bpcor隨經(jīng)向參數(shù)ξ= r/rms的變化 (a)實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著黑洞自轉(zhuǎn)參數(shù)a?=0.9,0.5,0.1,計(jì)算中取 ?ε=0.5;(b)實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著參數(shù)?ε=1,0.5,0,計(jì)算中a?=0.5Fig.1.The poloidal magnetic fieldvaries with the rad ius parameterξ=r/rms:(a)For the deferent b lack hole spin a?=0.9,0.5,0.1(solid,dashed,dotted lines),?ε=0.5 is adopted in the calcu lations;(b)for the deferent parameter?ε=1,0.5,0(solid,dashed,dotted lines),a?=0.5 is adopted in the calcu lations.

Macdonald和Thorne[8]在研究黑洞能層的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了等效電路理論,在該理論中大尺度磁場(chǎng)將黑洞與吸積盤轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能以電磁能流的形式轉(zhuǎn)移出來(lái),從而給噴流提供能量來(lái)源,其電磁功率解析式可表示如下[8]:

其中I和?ψ分別為等效電流和相鄰磁層間的磁通量,?F是磁力線角速度.

在Macdonald和Thorne[8]的研究基礎(chǔ)上,我們也提出一種改進(jìn)型等效電路來(lái)計(jì)算來(lái)自盤冕系統(tǒng)的噴流功率[30?32].在推導(dǎo)噴流功率的過(guò)程中用到了如下公式:

式中?E是盤冕系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),Ip是熱冕中每個(gè)回路的極化電流,?ψ和?ZA分別為相鄰磁層間的磁流和相應(yīng)加速區(qū)的阻抗.磁通量?ψ可表示為

通常加速區(qū)阻抗與吸積盤阻抗比值可決定磁力線角速度.當(dāng)吸積盤阻抗很低時(shí)可取?F??D[8].在我們提出的盤冕模型中,考慮到吸積盤阻抗相對(duì)于加速區(qū)阻抗較低,可假設(shè)盤冕中的磁力線角速度為

其中徑向參數(shù)χms定義為相鄰磁層間的負(fù)載阻值?ZA可表示為[8]

以上各式中涉及的各Kerr度規(guī)因子為[33]

聯(lián)合(14)—(20)式并將(16)式沿徑向積分,可得噴流功率的解析表達(dá)式為

圖2 模型噴流功率Qjet隨黑洞自轉(zhuǎn)參數(shù)a?的變化 圖中實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著吸積率˙m=0.5,0.3,0.1,計(jì)算中取?ε=0,M=109M⊙Fig.2.The curves of model jet power Qjetversus b lack hole spin parameter a?for d iff erent accretion rate˙m=0.5,0.3,0.1(solid,dashed,dotted lines).?ε=0,M=109M⊙a(bǔ)re adopted in the calcu lations.

圖3模型噴流功率Qjet隨吸積率˙m的變化圖中實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著參數(shù)?ε=1,0.5,0.1,計(jì)算中取a?=0.5,M=109M⊙Fig.3.The curves ofmodel jet power Qjetversus accretion rate˙mfor d iff erent parameter?ε=1,0.5,0.1(solid,dashed,dotted lines).a?=0.5,M=109M⊙a(bǔ)re adopted in the calcu lations.

由(21)式可做噴流功率Qjet隨黑洞自轉(zhuǎn)參數(shù)a?變化的曲線,如圖2所示.觀察圖2我們發(fā)現(xiàn)模型噴流功率Qjet隨著黑洞旋轉(zhuǎn)參數(shù)a?的增加而增大.此外,我們也給出了在不同參數(shù)下噴流功率Qjet隨吸積率變化的規(guī)律,如圖3所示,很明顯噴流功率隨吸積率的增大而單調(diào)遞增.應(yīng)該注意的是,在計(jì)算中,(21)式中的積分上限取ξ=30,即只計(jì)算了來(lái)自吸積盤30個(gè)最內(nèi)穩(wěn)定半徑rms范圍內(nèi)的噴流功率.選擇以上積分范圍基于兩個(gè)方面的考慮:一方面是基于觀測(cè),Biretta等[34]利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)觀測(cè)了鄰近星系M87中心噴流的亞毫角秒結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其射電噴流的加速區(qū)應(yīng)處于中心天體附近幾十個(gè)Schwarschild半徑區(qū)域以內(nèi);二是通過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)積分上限取ξ＞30時(shí),噴流功率Qjet值的增大變化已很小,這也直接表明絕大部分噴流功率應(yīng)來(lái)自于在吸積盤熱冕系統(tǒng)的內(nèi)區(qū),可見(jiàn)理論模型與觀測(cè)能較好地符合.

為了將我們模型的噴流功率與BZ機(jī)制的噴流功率相比較,給出當(dāng)旋轉(zhuǎn)黑洞視界面的磁場(chǎng)B⊥已知時(shí)BZ功率的表達(dá)式為[4]

其中rH是視界半徑,是用來(lái)描述磁力線角速度?F影響相對(duì)于黑洞角速度?H影響比例的因子.如果?F=1/2?H,BZ機(jī)制的輸出功率達(dá)到最大,計(jì)算中我們?nèi)ˇ谾=1/2.同時(shí)Moderski等[35]在考慮到黑洞視界面磁壓與吸積流最內(nèi)層的沖擊壓相平衡基礎(chǔ)上得出磁場(chǎng)B⊥與吸積率之間的關(guān)系式為

由(23)式我們可以得出黑洞視界面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

4 觀測(cè)擬合

為了將理論模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,我們選取了一組包含23個(gè)高噴流功率耀變體(Blazar)的天文樣本.樣本中的中心黑洞質(zhì)量、吸積盤光度、噴流功率觀測(cè)值取自Ghisellini等[21]的工作.我們選取的樣本如表1所列,表中第一和第二列為國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)天體名稱及其紅移,第三列是以太陽(yáng)質(zhì)量為單位的中心黑洞質(zhì)量,第四列為以erg.s?1為單位的吸積盤熱光度,第六列為以erg.s?1為單位的噴流功率觀測(cè)值.表1中第五列是依據(jù)(25)式計(jì)算出的相應(yīng)的無(wú)量綱吸積率,當(dāng)活動(dòng)星系核的中央黑洞質(zhì)量給定時(shí),通過(guò)熱光度Lbol可以估測(cè)這些射電源的吸積率.無(wú)量綱吸積率可表示為

表1 具有23個(gè)高噴流功率天體的觀測(cè)樣本Tab le 1.An observational sample consisting of 23 ob jectswith high jet power.

在圖4和圖5中,我們給出了吸積率˙m和噴流功率Qjet之間的關(guān)系.利用(21)式可以計(jì)算出不同參數(shù)下模型的噴流功率,即圖5中的各條曲線.而從旋轉(zhuǎn)黑洞中提取的功率(即BZ功率)可通過(guò)(22)式來(lái)計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖4.在圖4和圖5中的小方塊中心對(duì)應(yīng)23個(gè)天體的吸積率和噴流功率值.圖4中的實(shí)線代表BZ機(jī)制所能達(dá)到的最大噴流功率值.圖5中各條曲線的含義如下:劃線代表當(dāng)參數(shù)?ε=0.3時(shí)盤冕噴流的功率值,相應(yīng)的其曲線右下區(qū)域?yàn)?ε＜0.3時(shí)盤冕模型能擬合的功率值范圍.

圖4 BZ功率與吸積率的關(guān)系 圖中實(shí)線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著黑洞自轉(zhuǎn)a?=0.99,0.5時(shí)的BZ功率,計(jì)算中取M=1010M⊙Fig.4.The BZ power versus the accretion rate˙mfor the d iff erent b lack hole spin values:a?=0.99(solid lines),a?=0.5(dotted lines),M=1010M⊙is adopted in the calcu lations.

圖5噴流功率Qjet與吸積率的關(guān)系 圖中實(shí)線、點(diǎn)劃線、劃線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)著參數(shù)?ε=1,0.5,0.3,0,計(jì)算中取a?=0.5,M=109M⊙Fig.5.The jet power versus the accretion rate˙mfor the d iff erent parameter values:?ε=1,0.5,0.3,0(solid,dot-dashed,dashed,dotted lines).a?=0.5,M=109M⊙a(bǔ)re adopted in the calcu lations.

觀察圖4和圖5,我們得出以下結(jié)論:1)BZ機(jī)制所產(chǎn)生的功率無(wú)法擬合表中樣本的高噴流功率值,即使當(dāng)中心黑洞為極端Kerr黑洞時(shí)(旋轉(zhuǎn)參數(shù)a?=0.99);2)如果取恰當(dāng)?shù)膮?shù)值,本文的吸積盤熱冕噴流加速模型能擬合所有射電源的噴流功率值.計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)取無(wú)力矩邊界條件(?ε=0)時(shí)(見(jiàn)圖5中點(diǎn)線),模型噴流功率只能擬合樣本中較低功率中的三個(gè),而當(dāng)參數(shù)?ε取值大于0.5時(shí)(見(jiàn)圖5中點(diǎn)劃線),模型的噴流功率值肯定能高于觀測(cè)樣本的功率值.

5 結(jié)論與展望

本文主要討論了一種從旋轉(zhuǎn)黑洞的吸積盤熱冕系統(tǒng)中提取能量的噴流模型.首先求出了熱冕中的磁場(chǎng)強(qiáng)度,再利用黑洞磁層理論中的等效電路方法推導(dǎo)出了噴流功率Qjet的表達(dá)式.在以往的研究中常忽略黑洞視界面和吸積盤內(nèi)邊緣間的吸入?yún)^(qū),本文為了提高模型噴流的功率,考慮了吸入?yún)^(qū)與吸積盤的磁聯(lián)系,該磁場(chǎng)在黑洞吸積盤內(nèi)邊緣施加一個(gè)磁力矩,磁力矩會(huì)大大增加盤冕系統(tǒng)釋放的能量.這樣本文的模型中的磁能密度和大尺度磁場(chǎng)的強(qiáng)度都將被明顯增強(qiáng),進(jìn)而提升了盤冕的噴流功率.結(jié)果表明,模型噴流功率值主要由吸積率?Lbol/LEdd、內(nèi)邊緣力矩參數(shù)?ε及黑洞旋轉(zhuǎn)參數(shù)a?決定,并且隨著磁力矩參數(shù)?ε和黑洞自轉(zhuǎn)參數(shù)a?的增加而明顯增大.

在觀測(cè)擬合部分,選用了一組具有高噴流功率的天文樣本來(lái)探討它們的噴流產(chǎn)生機(jī)制,結(jié)果表明噴流加速機(jī)制在取恰當(dāng)?shù)膮?shù)時(shí)可以很好地?cái)M合所有高功率噴流,而這些高功率樣本是當(dāng)吸積盤熱冕系統(tǒng)取無(wú)力矩邊界條件(?ε=0)或 BZ機(jī)制所無(wú)法解釋的.

當(dāng)然,本文模型在理論上還存在很多不確定因素和不足之處.比如一個(gè)主要不確定因素是系統(tǒng)中熱冕的幾何結(jié)構(gòu),在前人的工作中提出了有代表性的冕模型,比如球形冕、平板冕、補(bǔ)丁冕等[36].在本文中為方便計(jì)算和研究采用的是一種較簡(jiǎn)單的平板冕結(jié)構(gòu),這也是我們以后工作中需要改進(jìn)的地方.我們也應(yīng)該注意到由于活動(dòng)星系核的種類眾多,本文提出的噴流模型僅是對(duì)部分具有較高功率噴流天體的加速機(jī)制的有益探索.

另外,在本文中我們主要討論了射電噴流的加速機(jī)制,并沒(méi)有討論吸積盤和噴流兩者之間相互影響,這也是一個(gè)無(wú)可回避的問(wèn)題.在接下來(lái)的工作中,我們將進(jìn)一步討論致密天體中射電噴流與吸積之間的耦合關(guān)系.

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PACS:97.10.Gz,98.38.Fs,96.60.P–DOI:10.7498/aps.66.039701

Ajet acceleration mechan ismfor the b lack hole d isk system?

Xu Jia-Di1)Jiang Zhi-Xiong1)Gong Xiao-Long1)2)?

1)(School of Physical and Optoelectronic,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)2)(Department of Astronomy,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)(Received 22 August 2016;revised manuscript received 25 September 2016)

Ajet accelerationmechanismofextracting energy fromthe disk-corona surrounding a rotating black hole isproposed.In this disk-corona scenario,the central ob ject is a rotating Kerr b lack hole,and a geometrically thin and optically thick disk issandwiched by a slab corona.The large-scaledmagnetic field playsan important role in jet accelerationmechanism.Sowe obtain the value of themagnetic field in such a disk-corona systemby solving the disk dynamic equations in the context of general relativity.The results showthat the value ofmagnetic field decreaseswith the increase of disk radius,while increases with the increase of black hole spin parameter a?.Then the analytical expression of the jet power is derived based on the electronic circuit theory of themagnetosphere.It is found that the jet power increases obviously with increasing black hole spin parameter a?and magnetic stress parameter ?ε.Furthermore,the calcu lation results alsoshowthat the jet power ismainly fromthe inner region of the disk-corona system,which is consistent with the observations of the jet.Finally,a sample composed of the 23 Fermiblazarswith high jet power is used toexplore our jet production mechanism.The conclusion suggests that our jet acceleration mechanismcan simulate all sourceswith high power jet.By comparing with the observational data,we find that these high jet power sources cannot be explained by the Bland ford-Znajek mechanism,even if the central ob ject is extreme Kerr black hole.

accretion,accretion disks,jets,corona

10.7498/aps.66.039701

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):U1431101,11403003)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2012CB821804)資助的課題.

?通信作者.E-mail:x lgong@yangtzeu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.U1431101,11403003)and the National Basic Research Programof China(G rant No.2012CB821804).

?Corresponding author.E-mail:xlgong@yangtzeu.edu.cn