几何薄光学厚吸积盘谱线轮廓及成像研究第一期.pdfVIP

第 50卷 第 3期 天 文 学 报 V0l1．50 No．3 2009年 7月 ACTA ASTRONOMICA SINICA Ju1．，2009 几何薄光学厚吸积盘谱线轮廓及成像研究木 潘彩娟 ，2十 (1百色学院物理与电信工程系百色533000) (2中国科学技术大学天体物理中一5-合肥230026) 摘要 假设位于黑洞赤道面上做圆形轨道运动的吸积盘是几何薄、光学厚的．利用光 子追踪法计算在 Kerr度规下的光子运动轨迹，通过数值计算研究薄吸积盘的相对论谱线 轮廓及成像．在大角度观测时，吸积盘下表面的光子对谱线轮廓及成像的影响是显著的． 关键词 黑洞物理，吸积，吸积盘，方法：数值，谱线：轮廓 中图分类号：P145； 文献标识码：A 1 引言 黑洞的存在已为多数物理学家和天体物理学家所接受，对黑洞吸积系统的研究也集中 到了确定系统的详细特性上．对于一个质量为 10^ 的黑洞来说，其视界大小为 10_。pc， 中心吸积盘的几何尺度也不过 10 pc的量级，天文学家用现有的观测手段是无法直接分 辨位于遥远的星系核中心如此小的空间尺度．而在某些活动星系核中观测到了宽的、非 对称谱线轮廓的铁K 荧光线，这种谱线被认为是由x．射线照射到吸积盘内区的相对较 冷的物质的荧光效应产生的 [1】’这种谱线在发射物质局部静止坐标系中是内禀窄线，通 过多普勒效应，引力红移效应转变成宽的、非对称的谱线轮廓．可见对谱线轮廓的研究 可以掌握中心黑洞附近吸积流的结构、动力学特征，以及时空背景的几何性质，因此对 黑洞附近吸积盘谱线轮廓及成像研究有着十分重要的意义． 计算来 自环绕Schwarzschild黑洞附近的吸积盘的发射线轮廓的工作已相当成熟．由 于吸积物质的角动量，中心黑洞更可能是旋转的．本文利用光子追踪法来计算Kerr黑洞 附近的吸积盘的谱线轮廓，通过数值计算的方法来研究吸积盘上下表面光子对谱线轮廓 及成像的影响．光子追踪法的核心是利用光路的可逆性 [2】1假设光由无限远处观测者的 眼睛发出，沿着光子轨道到达吸积盘的不同位置，利用雅可比椭圆积分方法可以简单计 算Kerr时空中的光子轨迹；计算谱线流量时，先算出吸积盘在观测者天平面上成的像， 加权红移因子和盘径向线发射率后沿像平面积分得到谱线流量． 对于一个环绕Kerr黑洞的吸积盘，盘上各点发出的谱线的流量不相 同，这样我们就 可以求出在天平面上吸积盘流量的成像图．由于黑洞拥有视界，使得黑洞对途径附近的 2oo8-1o-o8收到原稿， 2009-01—09收到修改稿 }国家自然科学基金 资助 tpancaiiuan@163 ． com 天 文 学 报 50卷 光线产生引力弯曲并在背景光线中投影出一个半径约十倍于黑洞引力半径的阴影区域． 2 Kerr时空中的光子轨道 Kerr时空中的光子的运动轨道可以由3个运动学常量来描述 3[Jj它们是无穷远处测 得的光子总能量 E，黑洞对称轴方向的角动量 z，卡特常数 Q．由于光子轨道不依赖于它 的能量，因此光子的轨道可以由两个无量纲的参量 ：Lz／E和q=Q／E 来描述． 对于无穷远处观测者来说，描述吸积盘成像的视位置的方法是引入相对于黑洞 中心 测量的两个碰撞参数 和 ，OL和 是指吸积盘的像点在垂直和平行黑洞的自旋轴投影 方向的位移，无穷远处观测者接收到的光线是来 自于天球面上 (，)的像点，碰撞参数 ， 与运动积分常数 ，q的关系为 1J 。。 = 一 ， ㈩ )r--,~=4- ． (2) 其中 0h是无穷远处观测者的视线与黑洞 自转轴之间的夹角，p()是光子的四动量．由 于Kerr系统具有静态和轴对