[論文レビュー] A precise determination of angular momentum in the black hole candidate GRO J1655-40

M. A. Abramowicz, W. Kluźniak|May 4, 2001

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 241

ひとこと要約

本稿では、ブラックホール候補GRO J1655-40における300 Hzおよび450 Hzの高周波 quasi-periodic oscillations (QPOs)が、ケル・ブラックホールの降着円盤内での径方向epicyclic振動数と軌道周波数の1:2または1:3共鳴によって生じると提案している。観測された2:3周波数比と5.5–7.9 M☉の質量推定値を用いて、ブラックホールの次元なし角運動量jが0.2 < j < 0.65の範囲にあると特定した。これはシュバルツシルト解および最大ケル解の配置を除外する。

ABSTRACT

We note that the recently discovered 450 Hz frequency in the X-ray flux of the black hole candidate GRO J1655-40 is in a 3:2 ratio to the previously known 300 Hz frequency of quasi-periodic oscillations (QPO) in the same source. If the origin of high frequency QPOs in black hole systems is a resonance between orbital and epicyclic motion of accreting matter, as suggested previously, the angular momentum of the black hole can be accurately determined, given its mass. We find that the dimensionless angular momentum is in the range $0.2

研究の動機と目的

• GRO J1655-40のブラックホールの角運動量を、高周波QPOを用いて特定すること。
• 300 Hzおよび450 HzのQPOが、ケルブラックホール内での軌道運動と径方向epicyclic運動の共鳴によって生じるかどうかを検証すること。
• 観測されたQPO周波数と質量推定値を用いて、ブラックホールのケルパラメータjを制約すること。
• 共鳴モデルに基づき、シュバルツシルト解および最大ケル解の配置を除外すること。

提案手法

• 300 Hzおよび450 HzのQPOが2:3の周波数比を示しており、これは軌道周波数と径方向epicyclic周波数の非線形共鳴を示唆していると仮定する。
• ケル計量を用いて円形等面軌道をモデル化し、既知の相対論的公式を用いて径方向epicyclic周波数と軌道周波数を計算する。
• 2つの共鳴状況を検討する：1:2（Ω = 300 Hz、Ω + ω = 450 Hz）および1:3（Ω = 450 Hz、Ω - ω = 300 Hz）、ここでωは径方向epicyclic周波数、Ωは軌道周波数である。
• 光学観測から得られた5.5–7.9 M☉の質量範囲を用いて、この範囲におけるjを計算する。
• 垂直方向epicyclic共鳴は、観測周波数と整合しないことから除外する。
• カトウ[4]の相対論的周波数式を用いてjを計算し、質量および共鳴モデルの不確実性を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRO J1655-40における300 Hzおよび450 HzのQPOは、ケルブラックホール内での径方向epicyclic運動と軌道運動の共鳴によって説明可能か？
• RQ2 観測されたQPO周波数と質量推定値を踏まえた場合、ブラックホールの次元なし角運動量jの範囲は何か？
• RQ3 GRO J1655-40のブラックホールはシュバルツシルト解または最大ケル解の配置と整合するか？
• RQ4 1:2共鳴と1:3共鳴のどちらの共鳴モデルが、観測された2:3周波数比を最もよく説明するか？

主な発見

• GRO J1655-40における300 Hzおよび450 HzのQPOは2:3の周波数比を示しており、これは軌道周波数と径方向epicyclic周波数の非線形共鳴を強く支持する。
• ブラックホールの次元なし角運動量jは、共鳴モデルと質量範囲に応じて0.2 < j < 0.65の範囲に制約される。
• 1:2共鳴の場合、jは0.2から0.6の範囲にあり、1:3共鳴では0.3から0.65の範囲にあり、上限は7.9 M☉、下限は5.5 M☉に対応する。
• ブラックホールはシュバルツシルト解（j = 0）でも最大ケル解（j = 1）でもなく、一部の先行報告とは矛盾する。
• jの主な不確実性は共鳴モデルの選択ではなく、質量推定値に起因する。
• 質量約6 M☉における中程度のj ≈ 0.3は、長寿命の連星系においてブラックホールが低質量の伴星から角運動量を吸収したことに整合する。