黑洞热吸积盘中的粒子加速与反馈过程研究

Gas dynamics around black hole (BH) accretion disks are fundamental problems in astrophysics. We focus on a most common type of BH accretion disks, namely, the optically thin, radiatively inefficient, hot accretion flows. In these disks, accretion is driven by turbulence from the magnetorotational instability (MRI). In the meantime, disk plasmas are highly tenuous and become collisionless, where particles can be accelerated by turbulence and shear motion in disks. Conventionally, these plasma processes are studied using the particle-in-cell (PIC) method. PIC method demands that microscopic plasma scales be resolved, limiting the study of particle acceleration only to initial stages. We propose to study the acceleration process toward later stages, using our newly-developed MHD-PIC method. Without needing to resolve the microscopic scales, the MHD-PIC method has unique advantage into this problem. Using local MHD simulations of the MRI combined with charged particles, we plan to study (1) test particle diffusion, acceleration and escape in MRI turbulence; (2) effect of non-thermal particle feedback on gas dynamics and particle kinetics; (3) energy spectrum of non-thermal particles and observational predictions. As the first time applying MHD-PIC methods to this problem, our proposed study will extend the particle acceleration process to multi-scales, bridging an important gap in the plasma astrophysics theory for hot accretion flows.

黑洞吸积盘中的等离子体动力学是天体物理中的基础问题。我们考察最普遍的一类黑洞吸积盘，即光学薄，低辐射效率的热吸积盘。盘中由于磁转动不稳定性(MRI)形成湍流并驱动吸积；同时盘中等离子体密度极低而成为“无碰撞”等离子体，在MRI中可通过湍流和剪切运动加速粒子。传统的PIC方法必须分辨出微观尺度，仅适用于研究MRI中粒子加速的初始阶段。我们将用新开发的MHD-PIC方法研究MRI中粒子加速的后续阶段。该方法无须分辨出背景等离子体中的微观尺度，具有独到优势。利用局部MRI磁流体和带电粒子的数值模拟，我们将(1)研究MRI湍流中测试粒子的扩散，加速和逃逸过程；（2）加入粒子反馈作用，自洽地研究盘的动力学与非热粒子的相互作用和动力学演化；（3）计算非热粒子的能谱和可观测效应。作为MHD-PIC方法在该问题中的首次应用，本项目将首次粒子加速过程延伸到多尺度，填补热吸积盘中的等离子体理论的重要空白。

星系中心的超大质量黑洞周围往往存在光学薄，低辐射效率的热吸积盘，其动力学过程是天体物理中的基础问题，也是理解AGN反馈等作用的关键。我们着重考察其中宇宙线的加速和反馈作用。首先，我们通过在MRI湍流模拟中注入测试粒子，系统研究了宇宙线粒子的输运和加速过程，其结果同穿过盘中的净磁通量大小有关，发现黑洞热吸积盘中的质子有可能被加速至PeV能量，并首次指出MRI湍流的间歇性对加速过程有决定性影响，需要进一步研究。第二，我们通过广义相对论磁流体力学模拟研究了黑洞热吸积盘的磁通量输运问题，通过创新的模拟方法，我们发现从外界获取的磁通量能够以较高的效率（~15-40%）被带入黑洞，使得盘内区拥有强磁场并促成达到磁俘获态。第三，为研究宇宙线的反馈作用，我们首次开展宇宙线穿流不稳定性的动理学研究，建立了不稳定性发生的微观尺度物理同宏观尺度的宇宙线反馈之间的联系，并自洽测定中低能宇宙线的输运系数。最后，我们为Athena++代码开发了MHD-PIC（宇宙线粒子）模块，为未来在这一领域的后续研究铺平了道路。