10000个科学难题(天文卷)的文章

黑洞系统中吸积与喷流的耦合

Coupling of accretion with jet in black hole systems

1.     天体物理中的吸积与喷流

致密天体（白矮星、中子星和黑洞）对其周围物质的吸积过程是一种释放引力能的有效机制，它被广泛用来解释X射线双星、激变变星、活动星系核的高能辐射。1969年Lynden-Bell首次用黑洞吸积解释了类星体的能量机制^[1]。另一方面，天文观测发现喷流（外流）普遍存在于一部分X射线双星、年青恒星以及活动星系核之中^[2]。吸积与喷流看似两个相反的物理过程：物质通过吸积进入致密天体，而通过喷流（外流）离开致密天体，二者之间是否存在某种关联？天体系统中的喷流是如何产生的，又是如何准直的？这些问题一直是天体物理学的重大疑难。

普遍认为喷流的形成与吸积过程有关。由于物质必须丢失其多余的角动量才能吸积到中心天体，因此吸积过程必然伴随物质的角动量向外转移^[3]。吸积盘中喷流（外流）的存在为转移物质的角动量提供了天然通道。1994年Narayan和Yi求解黑洞吸积动力学方程时发现，在径移主导吸积流中Bernoulli数可以取正值，这意味着喷流是吸积过程的必然结果^[4]。

类星体是一种具有稳定喷流的活动星系核，其包含的黑洞质量为太阳质量的10^6-10倍。观测发现一部分黑洞双星也有喷流，其包含的黑洞质量为太阳质量的10倍左右。1998年Mirabel和Rodrigues对类星体和黑洞双星的特征进行比较研究，把有喷流的黑洞双星称为微类星体，这是因为类星体和微类星体产生喷流的物理环境非常相似，二者的准直喷流都产生于包围快速旋转黑洞的吸积盘系统，如图1所示^[5]。

2．驱动喷流的两种机制

对于黑洞吸积系统而言，目前普遍认可的两种喷流的产生机制都与大尺度磁场有关，它们是通过大尺度磁场提取黑洞转动能的Blandford-Znajek机制^[6]和提取吸积物质引力能的Blandford-Payne机制^[7]（以下分别简称BZ机制和BP机制）。Blandford讨论了黑洞吸积系统中不同类型的磁场的作用，如图2所示^[2]。其中磁力线1是吸积盘内部的小尺度磁场，它导致吸积物质的角动量沿着盘的径向向外转移；磁力线2是附着于吸积盘面的小尺度磁场，其作用是通过磁重联对盘冕加热。磁力线3连接吸积盘和遥远的天体物理负载；磁力线4和5把吸积盘内区与吸入区和黑洞视界面联系在一起；磁力线5和7分别把黑洞视界面和遥远的天体物理负载连接起来。

上述磁力线代表黑洞吸积盘中不同类型的磁场，其中对驱动喷流有直接贡献的是磁力线3，6和7，他们代表驱动喷流的两种能量机制：磁力线3对应于BP机制，磁力线6和7对应于BZ机制。BP机制驱动喷流的能量来源于吸积物质的引力能，BZ机制驱动喷流的能量来源于黑洞的转动能。

3．吸积与喷流的耦合关系

从物质流动方向看，吸积与喷流是两个相反的物理过程。理论与观测表明这两种过程有密切的耦合关系，而且磁场在其中扮演了极其重要的角色。

理论思考

（1）       旋转黑洞及其周围的吸积盘为大尺度磁场的存在提供了理想的环境。由于吸积盘物质是等离子体，围绕吸积盘的环向电流可能是吸积盘上大尺度磁场的起源之一。另一种可能的起源来自吸积过程带入吸积盘的种子磁场，通过吸积盘的较差旋转的放大导致大尺度磁场。

（2）       吸积盘上的大尺度磁场为BP机制提取吸积等离子体的引力能提供条件：围绕在磁力线上的带电粒子像串珠一样沿着旋转的磁力线离心抛出，这就是BP机制驱动喷流的能量来源。由于磁场冻结在等离子体中，大尺度磁场随吸积等离子体带入旋转黑洞的视界面，为BZ机制驱动喷流提供了条件。

（3）       通过磁压平衡建立黑洞视界面的磁场与吸积盘内区的磁场的平衡关系，使得黑洞视界面的磁场和吸积盘内区的磁场达到平衡的稳定值。不难理解，在不同的吸积模式中由于大尺度磁场的分布不同，BP过程和BZ过程对喷流的贡献比例会有所不同。

（4）       另一方面，BZ过程和BP过程对旋转黑洞和吸积盘的能量和角动量的提取必然会影响吸积过程。旋转黑洞和吸积盘既是大尺度磁场存在的场所，又是大尺度磁场驱动喷流的能量来源。而大尺度磁场既是喷流产生和准直的必要条件，又是喷流转移吸积物质角动量的天然通道，因而成为吸积过程得以持续的必要条件。

 参考文献 (略)

                                                              撰稿人：汪定雄

                                               华中科技大学