黑洞闪耀和相关爆发现象的理论研究

Black hole accretion is of fundamental importance in astrophysics due to its universality. The supermassive black hole in our Galaxy, Sgr A*, is the best laboratory to study the accretion physics in low-luminosity systems. We will first focus on the multi-wavelength flares of Sgr A* in this project to study the accretion, ejection and flaring mechanism. Based on the recent development in observations and numerical simulations, we find that the flares from Sgr A* share many similarities with those from our Sun. By analogy with solar flares/coronal mass ejections, an MHD model for Sgr A* flares is proposed. With our detail modeling of the flare light curves, time delays, spectra, and polarizations, we aim to understand the nature of the flares deeply and completely. Similar transient events are observed in our universe, e.g., short time-scale variabilities in active galactic nuclei, fast radio bursts (FRBs), and gamma ray bursts (GRBs). The hopeful application of our model to these different systems will connect black hole flares and solar flares with FRBs and GRBs in an innovative way. The implementation of this project will strengthen our understanding on the nature of the transient sky, as well as the universal physical processes around black holes in action, e.g., accretion and ejection.

黑洞吸积是当前天体物理研究的一个重要方向，而银心黑洞Sgr A*是研究在低光度下吸积物理的极好实验室。本课题将以Sgr A*闪耀为主题，研究其吸积、抛射和多波段闪耀机制。基于近年来观测和数值模拟等方面的发展，我们发现Sgr A*的耀发和太阳耀斑有极大的相似性。类比于日冕物质抛射，我们提出一个针对Sgr A*的有磁流体动力学基础的耀斑模型。综合考察多波段闪耀的光变、时延、能谱、偏振等多方面的性质，我们期望对Sgr A*的闪耀有一个深入的理解。结合宇宙中普遍发生的其他爆发现象的相似性，这一模型有众多潜在应用。例如，活动星系核的短时标闪耀、快速射电暴(FRB)、伽玛射线暴(GRB)等天体物理系统。我们有望将黑洞闪耀、太阳耀斑、FRB、GRB等不同天体物理现象创新性地联系起来。本课题的实施使得我们对宇宙中的灾变或是爆发现象有一个更加全面统一的认识，也对黑洞周围吸积、喷流等物理过程有更好的理解。

黑洞吸积是当前天体物理研究的一个重要方向，而银心黑洞Sgr A*是研究在低光度下吸积物理的极好实验室。研究人员基于严格的蒙特卡洛模拟，细致研究了Sgr A*最内区的多波段宁静态能谱。研究人员发现吸积流的外流指数在不同区域有显著不同，即内区外流强度非常弱，而外区内流较强。这可以为Sgr A*的耀发物理环境（磁场强度、等离子密度）提供更好的物理限制，也可以进一步对项目负责人提出的针对Sgr A*红外和X-射线波段闪耀模型进行限制。这对正在进行的EHT和GRVITY等大型项目提供较好的理论支撑。.接下来，一个相关的爆发现象是伽马射线暴，即其中心引擎到底是磁能主导还是热能主导，这对区分其中心引擎机制至关重要。基于对多脉冲轮廓的伽马射线暴的脉冲各向同性能量、持续时间和峰值流量的统计研究，研究人员发现伽玛暴的瞬时辐射统计特征可以很好地用幂律分布描述，并且幂律指数较好地符合三维自组织临界性的物理框架。这揭示磁重联很可能是中心引擎的主要爆发机制。这可能和Sgr A*的闪耀或是太阳爆发有类似的起源。.进一步地，本研究拓展到了若干其他活动星系核。研究人员发展了一个带盘风（外流）的唯象吸积盘模型以解释活动星系核尺寸的问题。研究人员的模型可以使得三个吸积盘尺寸，即微引力透镜尺寸、流量尺寸、理论尺寸相互吻合起来。这表明明亮黑洞吸积流中的外流也可能是非常普遍的。.最后，研究人员将小尺度的黑洞吸积和大尺度的宿主星系联系起来，即用活动星系核反馈解释椭圆星系中困扰已久的恒星形成活动如何被抑制的问题。研究人员发现超星新反馈和活动星系核反馈可以有效地抵抗不同质量的椭圆星系的中的辐射冷却，从而调节恒星形成活动和黑洞活动性。本研究也特别强调活动星系核反馈在大质量椭圆星系中关键作用。.研究人员的上述结果可以更好地来限制黑洞周围吸积流的动力学过程，以更好揭示黑洞的吸积和盘风物理。