[论文解读] Accretion Discs Around Black Holes: Developement of Theory

Г. С. Бисноватый-Коган|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 1999

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本文提出了一套黑洞吸积盘的理论框架，强调湍流粘性加热与局部能量平衡下的辐射冷却。识别出两种解分支——光学厚和光学薄，并表明低光度、自吸主导的吸积盘可将大部分能量带入黑洞，且磁场通过限制能量流入，使吸积效率超过标准模型的25%。

ABSTRACT

Standard accretion disk theory is formulated which is based on the local heat balance. The energy produced by a turbulent viscous heating is supposed to be emitted to the sides of the disc. Sources of turbulence in the accretion disc are connected with nonlinear hydrodynamic instability, convection, and magnetic field. In standard theory there are two branches of solution, optically thick, and optically thin. Advection in accretion disks is described by the differential equations what makes the theory nonlocal. Low-luminous optically thin accretion disc model with advection at some suggestions may become advectively dominated, carrying almost all the energy inside the black hole. The proper account of magnetic filed in the process of accretion limits the energy advected into a black hole, efficiency of accretion should exceed $\sim 1/4$ of the standard accretion disk model efficiency.

研究动机与目标

• 基于局部能量平衡，制定黑洞吸积盘的综合理论。
• 研究由流体不稳定性、对流和磁场引起的湍流在驱动粘性加热中的作用。
• 分析两种截然不同的解分支：光学厚和光学薄吸积盘。
• 研究在低光度吸积盘中自吸如何主导辐射的条件。
• 评估磁场对能量自吸和吸积效率的影响，特别是在自吸主导流中。

提出的方法

• 构建局部能量平衡模型，其中粘性加热通过盘面顶部和底部的辐射冷却实现平衡。
• 使用微分方程描述盘中的能量自吸，使理论具有非局部性，依赖于径向分布。
• 采用湍流粘性（α-模型）假设，以模拟角动量输运和能量生成。
• 将磁场视为能量流入的调节器，限制进入黑洞的能量比例。
• 将标准薄盘模型中的能量提取效率与自吸主导的低光度配置中的效率进行比较。
• 推导出当正确考虑磁场时，吸积效率可超过标准模型效率的1/4。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸积盘中的湍流粘性加热如何实现能量平衡并产生辐射输出？
• RQ2 在标准吸积盘模型中，光学厚和光学薄两种解分支存在的决定因素是什么？
• RQ3 在低光度吸积盘中，自吸何时会主导辐射？
• RQ4 磁场如何影响黑洞吸积的能量收支和效率？
• RQ5 当包含磁场效应时，吸积效率在多大程度上可超过标准薄盘模型的效率？

主要发现

• 标准吸积盘模型表现出两种解分支：光学厚和光学薄，取决于盘的密度和冷却效率。
• 在低光度、光学薄的吸积盘中，自吸可主导辐射，导致自吸主导流，使大部分能量被带入黑洞。
• 在吸积过程中引入磁场可限制进入黑洞的能量量，防止能量流入失控。
• 正确考虑磁场可使吸积效率超过标准薄盘模型效率的25%。
• 由于控制自吸的微分方程依赖于径向能量输运而非局部条件，该理论具有非局部性。
• 该模型表明，在某些区域，特别是低光度系统中，由于自吸主导，盘可能变得热不稳定或转变为不同的吸积模式。