橢圓吸積盤,一種產自北京大學的新型吸積盤模型

天文學家們相信,在幾乎所有星系中心都潜伏著或單、或雙的超大質量黑洞。這些超大質量黑洞平時不以任何踪迹示人,但它們的存在影響甚至决定著星系的形成和演化,它們的並合會產生宇宙中最猛烈的引力波暴。然而,吸積盤有效圓化這一標準影像最近受到了來自對TDE的光學/紫外輻射譜和總輻射光度觀測的嚴峻挑戰。

天文學家們相信,在幾乎所有星系中心都潜伏著或單、或雙的超大質量黑洞。這些超大質量黑洞平時不以任何踪迹示人,但它們的存在影響甚至决定著星系的形成和演化,它們的並合會產生宇宙中最猛烈的引力波暴。

當一顆恒星掠過這些超大質量黑洞時,會被其强大的潮汐力撕裂。恒星碎片在回落黑洞時,引發潮汐撕裂事件(TDE)。經典理論通常假設,廣義相對論效應將導致回落物質軌道交叉,而回落物質在軌道交叉處相互碰撞會從而使回落物質形成的吸積盤有效圓化。然而,吸積盤有效圓化這一標準影像最近受到了來自對TDE的光學/紫外輻射譜和總輻射光度觀測的嚴峻挑戰。如果吸積盤如某些數值模擬所啟示的那樣圓化是低效率的,那麼低角動量回落物質形成的吸積盤必然是橢圓形的。以色列著名科學家Tsvi Piran教授及其合作者最近提出了一個類似繩套的橢圓盤模型。在該模型中,回落物質繞黑洞形成橢形繩套,後續回落物質與已繞過黑洞後向外運動的前鋒物質在遠離黑洞的軌道交叉處相互碰撞,形成繩結。該繩套橢圓盤模型假設,輻射來自物質相互碰撞處,即繩結處的激波。該模型被國際同行稱為潮汐撕裂事件的“激波模型”。

北京大學物理學院天文系和科維理天文與天體物理研究所劉富坤教授領導的研究團隊提出了一個物理上完全不同的新型橢圓盤模型(見示意圖)。在該吸積盤模型中,軟X-射線光子在橢圓盤繞黑洞的近心點處產生,形成後被電子散射囚禁在吸積盤物質內,隨物質一起繞黑洞旋轉(類似光纖)。這些軟X-射線光子在隨物質一起繞黑洞作橢圓繞轉的過程中光致電離吸積盤物質。被電離的物質在複合時,發射出低頻連續譜和光學發射線。在最近發表在國際著名天體物理雜誌ApJ的論文中,劉富坤帶領團隊研究了該理論模型的動力學和熱輻射性質,並非常漂亮地回答了那些嚴峻挑戰傳統圓化吸積盤模型的難題。北京大學的博士研究生曹春洋、曹榮、周智勤,波蘭尼古拉斯·哥白尼天文研究中心的Marek Abramowicz教授以及哈佛大學的Maciek Wielgus博士是論文的共同作者。

標準圓吸積盤通常被稱為“波蘭甜甜圈”(一個由著名科學家、英國皇家學會前主席Martin Rees爵士創造的名字。Martin Rees爵士同時也是TDE經典理論之父之一)。為了突出橢圓吸積盤與標準圓吸積盤在幾何形狀上的不同,同時保留以糕點命名的傳統,以色列著名科學家Tsvi Piran教授為橢圓吸積盤創造了“耶路撒冷百吉餅(Jerusalem bagel)”(見下圖)這一名字。為了強調與以色列Piran教授等人的橢圓吸積盤模型在幾何上的相似性和物理上的不同性,在最近發表的論文中所描述的橢圓吸積盤被稱為“來自北京的耶路撒冷百吉餅(Jerusalem bagels from Beijing)”。值得注意的是,真實的波蘭甜甜圈的形狀更類似於具有球狀幾何的邦迪吸積(Bondi accretion)。

論文已被國際著名天體物理雜誌The Astrophysical Journal線上發表(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd2b6),全文也可通過預印本庫免費下載:https://arxiv.org/abs/2012.05552。

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