黑洞吸积盘热不稳定性研究

In this project, we closely track the results of magnetohydrodynamic simulations in the international research realm of accretion disks around black holes. Our research will focus on the thermal instability of accretion disks, especially on its existence, according to those results. The primary scheme of our research is to replace the viscous prescription, which is a weak link of the accretion theory, with a time-dependent equation of the viscous stress constructed basing those simulation results. Due to the time-dependency of the method used in our research, we will be able to concern how to model the stochastic characters of the turbulence in disks and watch the effects of these characters on the thermal instability. Our research can be expected to give a judegment on whether exists the thermal instability in black hole accretion disks as well as to recognize the mechanism behind the results of those simulations referenced by us. . The research planned in this project is based on the researching gains of the Astronomical Department of Xiamen University in the realm of black hole accretion disks. It is also concerned and supported in some theoretical and technical aspects by our international collaborators and some other researchers who are active in the same research realm.

本项目密切跟踪国际黑洞吸积盘研究领域里的各种磁流体数值模拟研究成果，并以这些成果作为理论修改的依据，围绕着黑洞吸积盘热不稳定性，特别是它的存在问题展开研究。我们研究的基本方案是将吸积盘理论的薄弱环节——粘滞描述假设——替换为根据数值模拟结果构造的粘滞应力演化方程。由于我们的方法是含时方法，我们的研究可以着重关注“模拟”吸积盘湍流的随机性，并考察这种随机性对热不稳定性的影响。可以预期，我们的结果将有望对黑洞吸积盘的热不稳定性存在与否的问题给出一个判断，同时回答我们参考的数值模拟结果背后的物理机制问题。. 本项目的研究是以厦门大学天文学系多年在黑洞吸积盘方面的研究积淀为基础，并得到了我们的国际合作者和其他活跃于国际黑洞吸积盘研究领域的一些专家学者的关注与支持。

本项目是以参考磁流体数值模拟结果来修正湍流粘滞应力描述，以试图探讨并解决黑洞吸积盘热不稳定性的理论问题。粘滞描述是现有吸积盘理论的薄弱环节，我们通过参考国际上已有的数值模拟结果，归纳出经典alpha-p粘滞描述中缺失的某些湍流粘滞属性的细节，将这些细节加入到我们的相对论含时一维吸积盘模型中去，考查这些新增的细节对吸积盘的影响。. 经过本项目的探索，我们发现我们原设想的随机扰动湍流粘滞并不能真正抑制住热不稳定性的发生。但是我们在尝试各种粘滞修改的过程中，发现我们的模型经历了一种重要的高频QPO振动——p-mode振动。我们根据计算得到的光变曲线，初步考查了这种振动的性质。我们发现这种振动与实际天文观测到的黑洞X射线双星的高频QPO有不少相似之处。通过此项目研究，我们认为湍流粘滞的因果性对于解释各种复杂的高频QPO现象是十分必要的，为此我们引入了含时的粘滞方程来代替非因果的alpha-p粘滞描述。. 同时，我们还用一个简单的光变曲线叠加的方法说明了吸积盘的内部振动波传播过程中的延迟效应会导致观测者看到的振动与原始振动相去甚远。这可能导致一个2:3的虚假QPO对出现在无穷远观测者的光变曲线中，尽管叠加前的两条光变曲线并不是这样的。这也意味着如果严格在广义相对论下来考虑一个振动吸积盘的模拟观测问题，得到的模拟光变曲线可能将十分有趣，将更加有利于通过高频QPO探测黑洞的相对论效应的研究。这个实际可以做为我们的下一个研究课题。