扭曲盘中的极端高度变化与喷嘴冲击

恒星质量和超大质量黑洞周围的吸积盘可能经常是扭曲的。每当盘被扭曲时，其高度随方位角变化。充分强大的扭曲会导致高度的极端压缩， fluid 单元在每一次轨道上都会在高纬度处"弹跳"。本文我们使用两种方法研究强扭曲的动力学：(i) Fairbairn与Ogilvie（2021a）提出的近似"环论"，我们将其推广到Kerr度量坐标系中；(ii) 使用H-AMR代码对围绕黑洞的3D广义相对论湍流模拟（称为"环"）。我们初始化一个具有扭曲的环，并在数个轨道周期内研究其后续演化。模拟在扭曲幅度$psi$达到临界值$psi_{\rm c}$时与环论非常一致。当$psi>psi_{\rm c}$时，环进入弹跳 regime。我们解析地（并数值验证）证明$psi_{\rm c}\approx (r/r_{\rm g})^{-1/2}$在非Keplerian regime中，其中$r_{\rm g}=GM/c^2$为引力半径，$M$为中心天体质量。每当高度弹跳时，垂直速度变为亚声速，这会导致"喷嘴冲击"，因为气体在高度最小值处碰撞。喷嘴冲击在模拟中持续约10-20个轨道后消耗扭曲；但该消耗不被环论所捕获。喷嘴冲击耗散导致的吸积时间比未扭曲的$alpha$盘短1-2个数量级，这可能导致快速变异，例如在活跃星系核或X射线二元星的柔性态中。我们还提出，具有足够强扭曲的稳态盘可能自我调节以接近$psi_{\rm c}$。