[论文解读] Evaporation: The change from accretion via a thin disk to a coronal flow

Friedrich Meyer, B. F. Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2000

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文提出了一种物理模型，用于描述恒星级黑洞周围从几何薄吸积盘向热、缓变主导的冕状流（ADAF）的转变过程，其驱动力是来自冷盘的物质蒸发进入其上方的热冕区。蒸发效率在约100个史瓦西半径处达到峰值，该位置决定了薄盘的截断半径，并解释了在X射线双星和活动星系核中观测到的光谱状态转变。

ABSTRACT

We present a model for a corona above a geometrically thin standard disk around a black hole. This corona is fed by matter from the thin disk which evaporates from the cool layers underneath. An equilibrium establishes between the cool accretion stream and the hot flow. In the inner region evaporation becomes so efficient that at low accretion rates all matter flows via the corona and proceeds towards the black hole as an advection-dominated accretion flow (ADAF). We investigate this transition for accretion disks around stellar black holes. We derive a set of four ordinary differential equations which describe the relevant processes and solve them numerically. The evaporation efficiency has a maximum value where the advection-dominated structure of the corona (at large distances from the black hole) changes to a radiation-dominated structure (at small distances). This maximum can be related to the observed spectral transitions in black hole X-ray binaries. Our solutions of coronal structure are valid for both, accretion in galactic X-ray transients and in AGN.

研究动机与目标

• 建立物理机制模型，解释物质如何从冷却的、几何薄的吸积盘蒸发进入其上方的热冕状流。
• 确定薄盘截断的径向位置，即所有吸积流均通过热冕状流进行的区域，尤其是在低吸积率条件下。
• 通过蒸发效率和冕状结构解释在黑洞X射线双星和活动星系核中观测到的光谱转变。
• 建立一个自洽的模型，将薄盘、冕区和ADAF区域联系起来，且适用于不同质量的黑洞。
• 通过X射线暂现源和活动星系核的观测数据验证该模型，尤其关注盘的截断位置和光谱状态。

提出的方法

• 通过对径向和垂直坐标进行平均，推导出一组简化的四元常微分方程，将二维流体动力学问题简化为一维径向分布。
• 将冕区建模为两相介质，通过蒸发和辐射加热实现热冕流与冷盘之间的能量和动量交换。
• 引入粘性加热、康普顿冷却以及电子与离子之间的能量交换，假设在高光学厚度下达到热平衡。
• 通过数值求解该系统，计算冕区的径向结构及蒸发率随半径的变化。
• 引入一个临界蒸发效率，其峰值位于~100个史瓦西半径处，标志着从缓变主导向辐射主导冕状流的转变。
• 通过X射线暂现源（如天鹅座X-1、1991年御夫座新星）和活动星系核的观测数据进行验证，将预测的截断半径与光谱拟合结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低吸积率黑洞系统中，是什么物理机制驱动了从冷却薄吸积盘向热冕状ADAF的转变？
• RQ2 在何种径向距离上，薄盘的蒸发效率高到足以使整个吸积流完全转向冕状ADAF主导状态？
• RQ3 蒸发效率如何随半径变化？其峰值出现在何处？决定该峰值的物理条件是什么？
• RQ4 预测的薄盘截断半径与X射线暂现源光 light curves 和光谱拟合结果的观测约束相比如何？
• RQ5 该模型的结构和蒸发行为在不同黑洞质量（如恒星级黑洞和活动星系核）之间是否具有不变性？

主要发现

• 物质从薄盘向冕区的蒸发效率在约100个史瓦西半径处达到峰值，该位置标志着向冕状ADAF主导转变的径向临界点。
• 在低吸积率条件下，蒸发效率在最大效率半径处完全耗尽薄盘中的物质，导致盘完全截断，并使吸积流完全转向ADAF主导状态。
• 冕区结构从外区的缓变主导过渡到内区的辐射主导，其边界由蒸发效率峰值决定。
• 该模型成功解释了高吸积率下的光谱软化现象（薄盘延伸至最内稳定圆轨道附近）和低吸积率下的光谱硬化现象（盘被截断，发射来自冕状ADAF）。
• 预测的截断半径与天鹅座X-1和1991年御夫座新星等X射线暂现源的观测结果一致，尽管在极内盘区域仍存在一些差异。
• 该模型在不同黑洞质量下均具有鲁棒性，蒸发驱动的转变机制适用于银河系X射线双星和活动星系核。