运动黑洞周围电离前沿的结构与不稳定性

本文着重理解导致运动黑洞（BH）模拟中观测到的稳定或不稳定电离前沿（I-front）的物理过程。前沿不稳定性可能引发气体吸积爆发，使黑洞的光度显著高于稳态情形。我们进行了一系列理想化的三维辐射流体动力学模拟，解析了质量为 $M_\mathrm{BH}$、速度为 $v_\infty$、从密度为 $n_\mathrm{H}$ 的介质中吸积的黑洞周围的 I-前沿。半径为 $R_\mathrm{I}$ 的 I-前沿在黑洞速度大于临界值 $v_\mathrm{R}\sim 40\,\mathrm{km/s}$ 时由 D 型转变为 R 型。D 型前沿前方存在厚度为 $\Delta R_\mathrm{I}$ 的弓形激波，其厚度随 $v_\infty$ 接近 $v_\mathrm{R}$ 而减小。我们发现 D 型和 R 型前沿在以下两个条件满足时均可不稳定：i）对 D 型前沿，壳层厚度须满足 $\Delta R_\mathrm{I}/R_\mathrm{I}<0.05$（即 $v_\infty \gtrsim 20\,\mathrm{km/s}$），而 R 型前沿无类似限制；ii）I-前沿两侧的温度跃变须满足 $T_\mathrm{II}/T_\mathrm{I}>3$。若 $T_\mathrm{I}<5000\,\mathrm{K}$ 或 $n_\mathrm{H}\,M_\mathrm{BH} \gtrsim 10^6\,M_\odot\,\mathrm{cm^{-3}}$，则第二条件成立。由于 X 射线预热通常使 $T_\mathrm{I} \sim 10^4\,\mathrm{K}$，除非 D 型壳层对 X 射线光学厚，而这也发生在 $n_\mathrm{H}\,M_\mathrm{BH}$ 大于某一依赖于金属度的临界值时。因此我们得出结论：黑洞周围的 I-前沿仅对穿越极稠密分子云的、质量相对较大的黑洞才不稳定。我们简要讨论了很可能与此不稳定性相关的 X 射线光度爆发的观测后果。