Blandford-Znajek過程—伽瑪射線暴的中心發(fā)動(dòng)機(jī).pdf

1、伽瑪暴是來自宇宙學(xué)空間的一種短時(shí)標(biāo)的伽瑪射線突然增強(qiáng)的現(xiàn)象，它的研究已經(jīng)成為當(dāng)今天文學(xué)和物理學(xué)的熱點(diǎn)之一。 普遍認(rèn)為，伽瑪暴可能來自中子星－黑洞合并或者大質(zhì)量恒星塌縮，其結(jié)果都會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞(Kerr 黑洞)，周圍圍繞一個(gè)吸積盤（或環(huán)）。如果穿過黑洞的磁場(chǎng)達(dá)到，則大約的黑洞旋轉(zhuǎn)能可通過磁場(chǎng)迅速地提取出來，這個(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞可以成為驅(qū)動(dòng)伽瑪暴的中心發(fā)動(dòng)機(jī)。 通過磁場(chǎng)從旋轉(zhuǎn)黑洞提取能量和角動(dòng)量到天體物理負(fù)載的過程稱為Bland

2、ford－Znajek （BZ）過程。它原來是為了解釋活動(dòng)星系核（AGNs）噴流的能源機(jī)制而提出的。在這個(gè)過程中，磁場(chǎng)連接黑洞和天體物理負(fù)載，黑洞視界面的快速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)又把能量和角動(dòng)量傳遞到天體物理負(fù)載區(qū)而形成噴流。MC過程是BZ過程的一個(gè)變種：在MC過程中, 磁場(chǎng)連接黑洞視界面和吸積盤，形成一個(gè)磁耦合系統(tǒng)。能量和角動(dòng)量可以通過大尺度磁場(chǎng)在黑洞和吸積盤之間傳遞。當(dāng)黑洞的角速度大于磁場(chǎng)所連接的盤的角速度時(shí)，能量和角動(dòng)量從

3、黑洞轉(zhuǎn)移到盤上；反之則從盤上轉(zhuǎn)移到黑洞。 BZ過程可為伽瑪暴提供十分“干凈”的能源，被認(rèn)為是解釋伽瑪暴中心發(fā)動(dòng)機(jī)的一種非?？赡艿哪Ｐ?。 本文對(duì)BZ過程驅(qū)動(dòng)伽瑪暴的模型進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，其中包括： （1）研究了伽瑪暴中心黑洞的演化和BZ過程的能量提取。伽瑪暴中心一般是一個(gè)黑洞－暫態(tài)盤系統(tǒng)。我們討論了各種參數(shù)條件下黑洞的演化特征和能量提取。發(fā)現(xiàn)磁力線角速度與黑洞視界面上的角速度的比值對(duì)黑洞演化和BZ過程能量提取的影

4、響較大。當(dāng)取大于的值時(shí)，BZ過程提取能量的效率更高； （2）研究了伽瑪暴/超新星的能源機(jī)制。觀測(cè)顯示長(zhǎng)暴（持續(xù)時(shí)間大于2s的伽瑪暴）與超新星成協(xié)。我們提出了一種通過BZ和MC過程共存解釋伽瑪暴與超新星成協(xié)的理想模型。其中MC過程提供超新星爆發(fā)所需的動(dòng)能，BZ過程提供伽瑪暴所需的能量，伽瑪暴的持續(xù)時(shí)間由開磁通在視界面上的半開角的演化時(shí)標(biāo)決定； （3）研究了伽瑪暴中心黑洞磁層的螺旋不穩(wěn)定性對(duì)從黑洞提能的影響。黑洞的旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)磁

5、力線，使其既有環(huán)向分量，又有極向分量，這樣的磁場(chǎng)位形可能發(fā)生螺旋不穩(wěn)定。我們研究了MC過程螺旋不穩(wěn)定發(fā)生的條件，發(fā)現(xiàn)只要BZ和MC過程共存，閉合磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生螺旋不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定限定了MC過程的外邊界，同時(shí)使得BZ和MC過程能夠提取更多黑洞的旋轉(zhuǎn)能。 （4）研究了伽瑪暴的快速光變。由于BZ過程中的開磁場(chǎng)也可能發(fā)生螺旋不穩(wěn)定，我們提出通過BZ過程的螺旋不穩(wěn)定解釋伽瑪暴快速光變的理想模型。當(dāng)螺旋不穩(wěn)定發(fā)生時(shí)，開磁力線的環(huán)向磁能釋放，