不同尺度的同样现象：太阳、黑洞、超新星爆发、伽玛暴、星系、星系团...

2005年６月３日世界物理年学术报告会：清华大学/高能所张双南 1

不同尺度的同样现象：太阳、黑洞、超新星爆发、

伽玛暴、星系、星系团…张双南

清华大学物理系和天体物理中心

科学院高能所粒子天体物理重点实验室


彭桓武学长的启示

彭桓武学长在 2005 年 4 月 15 日在“世界物理学纪念大会”上的讲话（来源：科学时报

）：物质世界虽然千变万化，但却十分真诚，

“在同样条件下必然出现同样现象”


不同尺度的类似现象：太阳、黑洞、超新星爆发、

伽玛暴、星系、星系团…

不同尺度的同样现象：太阳、黑洞、超新星爆发、

伽玛暴、星系、星系团…


几种相互补充的天文学研究方法

将天体按层次分类，研究其形成和演化行星、恒星、星系、星系团、宇宙

从物理过程出发，解释各种观测现象辐射、粒子加速和传播、磁流体力学

从“新”分析方法出发，到处寻找新现象图像处理、光谱分析、时－频分析

寻找和比较不同尺度天体的同样现象，研究共同的机制和过程喷流、振荡、耀变、爆发、激波… .

观测天文学家理论天文学家数据分析家

杂家？观测物理学家???

数量

增加


天文游戏的一种可能玩法？

应用太阳天体物理学？


太阳：距离最近的天体物理实验室


Solar atmosphere and accretion disks around BHs

500 Temperatures of Solar Atmosphere = Temperatures of Accretion Disk

500G 500

G 10

B

B

T

TBET

21

821

SUN

DISK

SUN

DISK21

41

Magnetic field energy release dominates.(Zhang et al, Science, 2001)


Heating of the solar corona

Soft X-rayvisible continuumMagnetic flux

Parker (1994)

Reconnection of tangled magnetic fields?

UV


Solar flare light curves


A “Standard” Model: Reconnections →Solar Flares →Corona Heating

X-ray images


Shear and twist…

S-shape easier toerupt

In accretion disks, differential rotation will certainly twist magnetic field, so turbulent reconnections should be the main energy release mechanism

X-ray images


The Sun and other stars

Solar flares

Stellar emission

太阳只是一个不太活动的恒星


Falcke, Kording, & Markoff 2004

Stellar mass and supermassive BHs

Black hole binary

BH in Galactic center

Supermassive BHs

太阳、恒星、黑洞双星、银河系中心和活动星系的中心的射电和 X 射线辐射机制类似


Heating of stellar coronae

磁场能显然也主导恒星冕的辐射


吸积盘辐射的“玩具”模型：Flares

吸积盘的 x/- 射线辐射： Reconnection-Flare 观测事实：磁场能主导吸积盘冕和恒星 / 太阳冕加热太阳冕加热模型：磁重联产生的 Flares

吸积盘 reconnection-flare 模型的基本理论根据太阳表面的剪切和扭曲容易产生 Flares 吸积盘表面的差分旋转产生的“磁场转动不稳定性”

是吸积盘角动量传递的主要机制 (Balbus & Hawley) 吸积盘 reconnection-flare 模型的基本预言

吸积盘的冕是盘状结构，而不是球状结构观测的光变曲线是由 Flares 组成的

（此模型还没有被完整发表，已发表的盘冕部分目前在天文界也还没有共识）

2005年６月３日世界物理年学术报告会：清华大学/高能所张双南 16Antonucci

Type I

Type II


The inferred model of the nuclear torus. The molecular material moves from top right to bottom left (northwest to southeast).

Virial estimates of the central mass concentration give MBH=(7.2±3.8) x107 solar masses.

Kloeckner et al., Nature, 2003

Evidence for dusty torus in the active galaxy Mrk231


This has been taken as the evidence of evolution of torus geometry.

•Hasinger et al 2003 •Similar correlation has been found by Steffen et al. (2003). Sazonov & Revnivtsev (2004), Wang & Zhang (2004) in other samples of AGNs

Evidence against unification model of active galactic nuclei?


黑洞的盘冕模型（暂不考虑喷流）


In all previous studies, it has been assumed implicitly the corona has a spherical geometry

For disk emission, the observed apparent X-ray luminosity is related to its intrinsic luminosity by:

Then for a given X-ray luminosity, randomly oriented AGNs will have apparent luminosity distribution:

)unabsorbed(4 2XLX FDL

AGNs I) (Type on-facefor 0

intrinsic)())cos(21(3

1)cos( 0,,

XX LL

[0,1] ddistributeuniformly is )sin(

3/)121(1)( 22

x

xxxf

Anisotropy of X-ray emission from active galactic nuclei


Zhang, 2005, ApJ, 618, L79

The inclination angle effect on type-II active galactic nuclei fraction

吸积盘冕的各向异性完全可以解释观测数据


Flares from Cyg X-1: stellar Flares from Cyg X-1: stellar mass black hole binarymass black hole binary


Aschenbach et al. 2004

X-ray flares from the galactic center supermassive black hole: Sgr A*

周期信号表明 X 射线产生于吸积盘


BH spin and radio jet (Zhang, Cui & Chen, ApJ, 1997)

Best studied black hole binary, discovered by Zhang, S.N. et al. on July 31,1994: M=7

0, 70,95.0

cos1

sin

cV

c

VV

V ra

1.2c 0.7c

Radio quiet BH X-ray binaries Spin: ~0.0

Radio loud (superluminal jet) BH X-ray binaries Spin: ~0.93-0.95

极端自转 Kerr 黑洞


类星体和微类星体的统一模型 BH spin for quasars

(Blandford, Livio etc.) 90% quasars are

radio quiet (Schwarzschild BH)

10% quasars are radio loud (Kerr BH)

Our BH spin study indicates: the BH spin scheme

is true for stellar mass black holesmicroquasars

高速自转超大质量黑洞

高速自转恒星级质量黑洞


喷流是普遍的天文现象

Crab Nebula Vela Pulsar Gamma-ray burst jet model

1981:Star-formation

bi-polar outflow

discovered

1995:Jet associated

with proto-planetary accretion

disk

Jet velocity ~ escaping velocity?

Isolated young neutron stars


Gamma-Ray Bursts

GRB


J. Hjorth, et al., Nat. 423, 847-850

http://cfa-www.harvard.edu/press/pr0311image.htmlThe location of GRB 030329 before and after burst. Credit: Peter Challis

Berger et al. 2003, Nat., 426, 154

GRB 030329: 与 SN2003dh 的相关


(Sky and Telescope, May 2002, 32)


伽玛暴是研究高红移宇宙的探针


Differential rotation + twisted magnetic field

Pulsar magnetosphere, beyond the light cylinder

Collapsing, magnetized supernova core

Magnetized accretion disks around neutron stars and black holes

Magnetosphere of a Kerr black holes, with differentially-rotating metric

Basic Pictures of Magneto Hydrodynamic Jet Production

Meier et al

Neutron star

Kerr BH

GRB

NS & BH binary


Supernova 1987A

Two-winds model Slow wind from the red giant phase Fast wind from the blue giant phase

HST observation

Simulation(Tanaka & Washimi 2002)


The triple-ring structure of Virgo Cluster: Feng, Zhang, Lou & Li 2004

Jet: radioopticalX-ray

M87: an active galactic in the center of the Virgo Cluster of galaxiesTriple-ring structure similar to SN1987A: winds before explosion.

Two galaxies with supermassive BHs merged → rings and jet (NASA 新闻发布 ).

Chandra X-ray image


总结

彭桓武学长在 2005 年 4 月 15 日在“世界物理学纪念大会”上的讲话（来源：科学时报）：物质世界虽然千变万化，但却十分真诚，“在同样

条件下必然出现同样现象” 学生的应用

宇宙中虽然有不同尺度、不同类型的天体，但却十分诚实，“在同样条件下必然出现同样现象” 。通过研究这些同样的现象，理解它们背后的共同机制。

磁重联、黑洞自转、吸积、喷流、塌缩…


不完全的致谢

以上我的部分工作和报告内容受益于向下列同行的请教王水院士→太阳物理和磁重联；陆埮院士、戴子高教授等→伽玛暴；尤俊汉教授→辐射机制；王建民、王挺贵、吴学兵教授→活动星系核；武项平、徐海光教授→星系团；我的很多的优秀学生们教了我很多知识

我的出色的合作者们：崔伟、陈莞、王青德、吴学兵、徐海光、楼宇庆、李惕碚、尤俊汉、陆烨、郑广生…

参加中长期规划使我的物理与天文知识得到很大扩展方成院士激励我思考本次报告的内容，并提名和支持本

报告为下一届国际天文联合会大会的三个大会报告之一谢谢！请批评、指教和提问！

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