黑洞热吸积流的热不稳定性研究

黑洞热吸积流是热不稳定的。当吸积率较低时，热扰动增长时标长于吸积时标，故该不稳定性对吸积流的动力学没有大的影响；但是当吸积率较高时，热扰动增长时标小于吸积时标，不稳定性变得非常重要，吸积流的结构因而预期会有很大的变化。本课题研究热不稳定性对吸积流造成的后果。预期可能的后果是形成冷、热吸积气体共存的两相吸积流。该研究的重要应用是黑洞X射线双星的甚高态的吸积盘模型。观测表明甚高态很可能是在低硬态的基础上吸积率进一步增加导致的。对于低硬态，大家比较公认的吸积盘模型是热吸积流，但甚高态的理论模型一直是个没有解决的难题。本课题将应用数值模拟方法研究热不稳定性导致的两相吸积流的动力学结构，并用蒙特卡洛方法计算他们的出射谱，与黑洞双星的甚高态的观测比较，试图解决甚高态的理论模型问题。

我们按照项目计划书开展了科学研究。我们的研究内容由以下四方面组成。第一，我们的研究目标是黑洞热吸积流的热不稳定性。我们的研究手段是数值模拟。为了研究黑洞热吸积流的热不稳定性，我们首先研究了数值模拟中各种条件的设置对黑洞热吸积流的影响（Bu, Yuan, Wu & Cuadra, 2013, MNRAS）。我们发现，边界条件以及初始条件对数值模拟的结果影响不大。第二，目前的观测表明，黑洞热吸积流中存在外流，这个观测结果非常重要。我们以数值模拟为手段研究了黑洞热吸积流中外流能否产生以及外流的产生机制。我们发表了两篇论文（Yuan, Bu & Wu 2012, ApJ; Yuan, Wu & Bu 2012, ApJ）。我们的研究结果表明，黑洞热吸积流中外流可以产生。外流的产生是气体压强梯度力，磁压梯度力和离心力共同作用的结果。此外，对于银河系中心的热吸积流，我们发现其外流可能是导致银河系Fermi Bubble产生的原因（Mou, Yuan, Bu & Sun 2014, ApJ）。此外，我们的研究还发现冷的细盘（Slim disk, Yang, Yuan, Ohsuga, Bu, 2014, ApJ）中也可以产生外流。第三，当黑洞吸积气体的角动量很小时，一般认为黑洞的吸积盘会存在一个圆化半径。小于圆化半径的地方，气体的角动量基本是开普勒分布的，而大于圆化半径的地方，气体的角动量是一个常数。圆化半径是黑洞吸积理论中的一个很重要的概念。我们用数值模拟研究了圆化半径是否真正存在。我们发现，只要演化的时间足够长，圆化半径将一直向大半径移动并最终消失（Bu & Yuan 2014, MNRAS）。第四，在本项目的支持下，我们还开展了太阳系外行星形成方面的工作。我们发现，小质量（10几个地球质量）的系外行星周围可以形成一个小的吸积盘，这个吸积盘可能是卫星形成的场所（Wang, Bu, Shang & Gu, 2014, ApJ; Bu, Shang, Yuan, 2013, RAA）。