[論文レビュー] An eclipsing binary black hole candidate system in the blazar Mrk 421

E. Benítez, J. I. Cabrera+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、マーカー421が、310 ± 1日周期の遮蔽を示す候補となる二重超大質量ブラックホール系を有すると提案している。この周期性は、可視光、ハードX線、ガンマ線帯域で検出された。出発しのない光度曲線と最尤法による遮蔽モデルを用いて、遮蔽中には明るさが136.4%増加していることが特定され、これは質量の大きな同伴天体による重力レンズ効果と解釈されている。遮蔽期間は軌道周期のわずか9.7%にとどまる。

ABSTRACT

Removing outbursts from multiwavelength light curves of the blazar Mrk~421, we construct outburstless time series for this system. A model-independent power spectrum light curve analysis in the optical, hard X-ray and gamma-rays for this outburstless state and also the full light-curves, show clear evidence for a periodicity of ~ 310 days across all wavelengths studied. A subsequent full maximum likelihood analysis fitting an eclipse model confirms a periodicity of 310 \pm 1 days. The power spectrum of the signal in the outburstless state of the source does not follow a flicker noise behaviour and so, the system producing it is not self-organised. This and the fact that the periodicity is better defined in the outburstless state, strongly suggests that it is not produced by any internal physical processes associated to the central engine. The simplest physical mechanism to which this periodicity could be ascribed is a dynamical effect produced by an orbiting supermassive black hole companion eclipsing the central engine. Interestingly, the optimal eclipse model infers a brightness enhancement of (136.4 \pm 20 )%, suggesting an eclipse resulting in a gravitational lensing brightening. Consisting with this interpretation, the eclipse occurs for only ( 9.7 \pm 0.2)% of the orbital period.

研究の動機と目的

• 出発しのない状態におけるマーカー421の多波長での周期的変動を調査すること。
• 観測された周期性が、中心エンジンの内部的プロセスに起因するのか、外部の力学的効果に起因するのかを特定すること。
• 超大質量ブラックホールの同伴天体が周期的遮蔽と重力レンズ効果を引き起こすという仮説を検証すること。
• 一般化された遮蔽関数を用いた光度曲線モデリングにより、持続時間、深さ、明るさの増加といった物理的パラメータを推定すること。
• 不規則にサンプリングされた可変な光度曲線において、自己組織的フレッカーノイズとコherentな周期的信号を区別すること。

提案手法

• 可視光、ハードX線、γ線帯域で、3σノイズレベルを超えるフラックスを除いて、出発しのない光度曲線を構築した。
• 不規則にサンプリングされたデータに対するモデルに依存しない周期ogram解析を実施するため、RパッケージRobPerを適用した。
• X線光度曲線に対して、一般化された遮蔽モデルの全最大尤度フィッティングを実施し、周波数、位相、持続時間、遮蔽率を推定した。
• 遮蔽率パラメータを用いて信号の物理的性質を推定し、負の値は質量の大きな同伴天体による重力レンズ効果に起因する明るさの増加を示している。
• X線光度曲線を310日周期で折りたたみ、周期的変調を可視化し、遮蔽モデルの妥当性を検証した。
• 活動的（出発しを含む）状態と出発しのない状態のノイズ特性を比較し、周期性の原因がフレッカーノイズである可能性を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 出発しを除いた状態において、マーカー421の多波長光度曲線に一貫性があり、ランダムでない周期的信号が存在するか？
• RQ2 観測された周期性が、超大質量ブラックホール同伴天体による軌道的遮蔽といった力学的プロセスに起因するものとみなせるか？
• RQ3 光度曲線が、質量の大きな同伴天体による重力レンズ効果に一致する明るさの増加を示すか？
• RQ4 周期的信号が、中心エンジン内の内部的フレッカーノイズや自己組織的変動とは独立しているか？
• RQ5 遮蔽モデルから制約可能な物理的パラメータ（軌道周期、遮蔽持続時間、明るさの増加など）は何か？

主な発見

• マーカー421の出発しのない状態において、可視光、ハードX線、γ線帯域で、310 ± 1日という強固な周期性が検出された。
• 出発しのない状態のパワースペクトルはブラウンノイズ的挙動を示し、確率的でない一貫性のあるプロセスであることを示しており、活動的状態で観測されるフレッカーノイズとは対照的である。
• 最大尤度遮蔽モデルにより、-9.7%の負の遮蔽率が得られ、これは遮蔽中に明るさが136.4%増加していることを示している。
• 遮蔽持続時間は極めて短く、軌道周期のわずか9.7%にとどまり、これは重力レンズ効果を引き起こすコンパクトで質量の大きな物体と一致する。
• 周期性は、出発しのない状態でより明確に定義されており、内部的変動ではなく動的遮蔽メカニズムによって説明されるのが最も妥当である。
• 最良のフィット遮蔽モデルに正弦波的形状が見られないことから、不規則にサンプリングされたデータに対して、一般化された周期関数を用いた周期ogram解析の重要性が浮き彫りになった。