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...
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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
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 2
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”
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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…
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 4
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
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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)
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Heating of the solar corona
Soft X-rayvisible continuumMagnetic flux
Parker (1994)
Reconnection of tangled magnetic fields?
UV
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A “Standard” Model: Reconnections →Solar Flares →Corona Heating
X-ray images
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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
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The Sun and other stars
Solar flares
Stellar emission
太阳只是一个不太活动的恒星
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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
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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)
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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
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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?
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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
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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
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Flares from Cyg X-1: stellar Flares from Cyg X-1: stellar mass black hole binarymass black hole binary
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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
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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
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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
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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
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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
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 31
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
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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)
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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
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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…
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