黑洞双星中间态的研究

Three spectral states, namely, high/soft (HS) state, low/hard (LH) state and intermediate state (IS), are identified in an outburst of a black hole binary (BHB) based on observations. The HS and LH states are well interpreted by different accretion geometries. However, IS has not been well understood yet and no consensus has been reached. Study on IS can approach the physical origion of the state transitions of BHBs. This project is targeted at the interpretation of IS by the statistics and analysis on the observational data about IS and the simultaneous various astrophysical phenomena and the correlations between them. Different accretion elements including the accretion flow, the outflow, and large-scale magnetic fields are combined effectively to build a physical model to simulate the IS of BHBs and probe the physical mechanism of the state transitions.

观测表明，黑洞双星的爆发过程可以划分为三个谱态：低硬态、高软态和中间态。其中低硬态和高软态已经被不同的吸积模式很好地理解，而对于中间态的理解还处于定性的初步阶段，远未达成共识。中间态的物理起源是高能天体物理中没有解决和急需解决的重要问题之一，对中间态的研究有利于理解黑洞双星谱态演化的物理机制。本项目以天文观测为基础，以建立中间态的物理模型为目标，统计分析关于中间态和伴随的各种天体物理现象以及它们之间相关性的观测数据，寻找物理规律，探讨大尺度磁场与吸积过程的相互作用及其在谱态转变过程中扮演的角色，将吸积流、外流、大尺度磁场等因素有效地结合起来建立理论模型，全面、自洽地理解中间态和态转变的物理机制。

黑洞双星的X射线爆发伴随着复杂的能谱和时间特征的变化，每次爆发大致经历相同的“谱态”，并且按照“低硬态”-“中间态”-“高软态”-“中间态”-“低硬态”的顺序循环一次。谱态和谱态转变的物理起源是黑洞天体物理的热点问题，而中间态处于谱态转变过程中，变化剧烈，是最令人困惑的谱态。中间态的物理起源是高能天体物理中没有解决和急需解决的重要问题之一。本项目旨在探讨黑洞双星的中间态的物理起源，主要研究内容包括：1）大尺度磁场与吸积过程的相互作用及其在谱态转变过程中扮演的角色；2）中间态的高频准周期振荡（QPO）和对应的陡幂律谱的物理起源；3）中间态的物理模型。取得的重要结果有：1）建立了中间态的含磁吸积盘冕模型，解释了中间态的X射线能谱和伴随的3:2高频QPO；2）大尺度磁场提取黑洞的旋转能对黑洞双星的X射线能谱产生重要影响，吸积盘上的大尺度磁场随吸积过程向盘内区集中可以解释谱态转变过程中的能谱演化；3）基于截断盘模型建立了包含大尺度磁场的低硬态模型，自洽地解释了低硬态和喷流的成协关系。项目取得的成果对磁场与吸积的相互作用的探讨以及推动吸积理论的发展做出了一定的贡献；提出了测量黑洞质量和自转的可靠的新方法；发展了“宇宙电池”理论，为天体磁场起源提供了线索；为X射线双星的谱态转变现象提供了一种可能的解释，对黑洞的观测与证认、强引力场下的广义相对论检验、极端条件下的物理现象的研究等具有重要意义。