潮汐瓦解事件与高能中微子背景的研究

作     者：杨里程 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄峰

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 070401[理学-天体物理] 0704[理学-天文学] 

主      题：中等质量黑洞 潮汐瓦解事件 IceCube高能中微子 喷流 黑洞质量函数 

摘      要：当恒星进入星系中心大质量黑洞的潮汐半径时,潮汐力会将恒星撕裂开,黑洞通过吸积恒星的碎片产生高能量的辐射耀发。这种现象被统称为潮汐瓦解事件(Tidal Disruption Events,简称TDEs)。TDEs模型在提出之初,就被视为探测宁静星系中心黑洞的探针。TDEs的能谱,光变特征,事件发生率使得人们得以窥探宁静星系中心的黑洞质量,具体的吸积过程,喷流或外流的产生机制、效率以及星系核心区恒星、介质的分布等关键信息。目前已经发现的TDEs的数目不到一百个,其中仅有少数几个TDEs显示有相对论性的喷流结构,随着大视场、高灵敏度、高效率巡天的时域天文学的发展,TDEs的数目将有统计意义上的提高。作为高能天体物理的极端辐射现象,TDEs也被视为超高能宇宙射线的来源,尤其是喷流型的TDEs,其对应产生的高能中微子在近年来也认为对IceCube观测到的高能中微子背景有贡献。在本文中我们将探讨高能中微子背景对喷流型的TDEs的限制,尤其是对黑洞的质量函数以及TDEs中喷流产生效率的限制。本文在第一章中介绍研究背景,包括黑洞与黑洞的质量函数,TDEs的观测和研究现状以及高能中微子背景三个部分。在第一部分我们首先介绍黑洞分类及大质量黑洞的可能形成机制,并重点指出中等质量黑洞探测和理论研究的重要地位,进一步介绍近年来对黑洞质量函数研究的进展。在第二部分介绍TDEs的基本动力学过程、光变特征,以及不同波段观测上对光变曲线造成影响的因素;喷流型TDEs的特征、形成机制、观测现状,以及观测限制下的数量占比;TDE从X射线至射电波段的多波段观测和性质研究。最后一部分介绍现有各种高能宇宙射线源以及其对高能中微子背景的贡献。第二章为本论文的研究主体。我们通过对喷流型TDE SWJ1644+57的性质参数化,建立喷流型TDEs的理论模型,计算单个喷流型TDE生成的高能中微子谱。进一步考虑近邻宇宙体积内按照黑洞质量函数计算的所有可能的喷流型TDEs对高能中微子背景的贡献。星系中心黑洞的质量较大时,黑洞会直接吞并靠近的恒星,一般黑洞质量函数的最大黑洞质量可取为107.5 M⊙。而黑洞质量函数中所允许的黑洞质量下限值则没有理论上的限制。因此在具体的数值计算中,我们以星系中心大质量黑洞的质量下限Mmin以及喷流型TDE中与反映喷流形成的效率相关的参数(η0与α,详细定义见内文)为自由参数,利用最小卡方分析法拟合IceCube HESE高能中微子背景。我们的研究结果表明,若把高能中微子背景作为所有TDEs贡献的中微子的上限,则最佳拟合对应的黑洞质量函数的下限为1.33 × 104M⊙,而且随着黑洞质量的下降,TDEs形成喷流的概率越高。第三章作为本论文的结尾,我们总结了 TDEs作为高能宇宙射线起源的理论现状和观测限制,并进一步给出了后续的一些研究方向。