[論文レビュー] Black-Hole Engine Kinematics, Flares from PKS 2155-304, and Multiwavelength Blazar Analysis

C. D. Dermer, Justin D. Finke+1 more|ArXiv.org|Oct 6, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、Blazar PKS 2155-304におけるTeVフレアの運動学的およびエネルギー予算を調査し、約10⁸M☉のブラックホールエンジンと5分間の変動時標尺が、光の伝播時間制約に整合するシュバルツシルト半径を示していると提案している。また、同期放射/SSCモデルでは、極めて高い効率でなければエディングトン発光度を超えるが、外部コンプトン散乱または約10⁹M☉の主要なブラックホールを有する二重ブラックホール系が、パワー要件を緩和し、高いドーピラー係数と相対論的アウトフロー（Γ ≳ 30）によってフレア行動を説明可能であることを示している。

ABSTRACT

Kinematical and luminosity relations for black-hole jet sources are reviewed. If the TeV flares observed from PKS 2155-304 in 2006 July are assumed to originate from a black hole with mass $\approx 10^8 M_8 M_\odot$, then the $\sim 5$ minute variability timescale is consistent with the light-travel time across the Schwarzschild radius of the black hole if $M_8\sim 1$. The absolute jet power in a synchrotron/SSC model exceeds, however, the Eddington luminosity for a black hole with $M_8\sim 1$ unless the jet is highly efficient. The maximum Blandford-Znajek power is $\sim 10^{46}M_8$ ergs s$^{-1}$ if the magnetic-field energy density threading the horizon is equated with the luminous energy density in the vicinity of the black hole. An external Compton component can relax power requirements, so a black hole with mass $\sim 10^8 M_\odot$ could explain the observed flaring behavior. For the Swift and HESS data taken in 2006 July, relativistic outflows with bulk Lorentz factor $Γ\gtrsim 30$ satisfy $γ$-$γ$ attenuation limits. If this system harbors a binary black hole, then the accretion disk from a more massive, $\sim 10^9 M_\odot$ black-hole primary would make an additional external radiation component. Dual thermal accretion disk signatures would confirm this scenario.

研究の動機と目的

• PKS 2155-304の観測された5分間の変動時標尺をブラックホールエンジンの物理的サイズと整合させる。
• 標準的な同期放射/SSCモデルにおける約10⁸M☉ブラックホールのエディングトン発光度を超える、観測された等方的TeV発光度（~3×10⁴⁶ erg s⁻¹）が成立するかを評価する。
• 外部コンプトン散乱または二重ブラックホール系が、パワー予算の不整合を解消できるかを評価する。
• γ-γ吸収制限と多波長データと整合するための、必要なバルクローレンツ因子とドーピラー係数を特定する。

提案手法

• 共動フレームにおける因果律的制約 Δt′ ≳ Δr′/c を用い、観測された変動とエンジンサイズの関係を t_v = (1+z)Δt′/δ_D を用いて結びつける。
• Δr′ ≈ ΓΔr_* とし、Δr_* ≈ R_S を設定することで、シュバルツシルト半径と変動時標尺を関連づけ、t_v ≳ (1+z)/(2c) R_S を得る。
• ブラックホール電磁力学の Ω_+ 解を用いて、Blandford-Znajekジェットパワーを推定し、P_Ω₊ ≈ 2×10⁴⁶ ℓ_Edd M₈ erg s⁻¹ を導出する。
• 外部コンプトン散乱の影響を評価する際、降着円盤やジェットシェルのターゲット光子場をモデル化し、必要なジェットパワーを低減する。
• ビーミング関係式 f_ε = δ_D⁴/(4πd_L²) ε′L′(ε′) を用いて、観測されたフラックスと内在的共動発光度 L′ を結びつける。
• 約10⁹M☉の主要なブラックホールを有する二重ブラックホール状況を検討し、二重降着円盤構成と外部放射場を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約10⁸M☉ブラックホールのシュバルツシルト半径を越える光の伝播時間で、PKS 2155-304の5分間の変動時標尺を説明できるか？
• RQ2 標準的な同期放射/SSCモデルにおける約10⁸M☉ブラックホールの観測された等方的TeV発光度は、エディングトン限界を超えるか？
• RQ3 外部コンプトン散乱が、必要なジェットパワーを低減させ、発光度の不一致を解消できるか？
• RQ4 γ-γ吸収制限と多波長データは、バルクローレンツ因子とドーピラー係数にどのような制約を課すか？
• RQ5 約10⁹M☉の主要なブラックホールを有する二重ブラックホール系は、観測されたフレア行動と二重降着円盤の特徴を説明できるか？

主な発見

• 5分間の変動時標尺（t_v ≈ 300 s）は、約10⁸M☉ブラックホールのシュバルツシルト半径を越える光の伝播時間と整合しており、Δr_* ≈ R_S を示唆している。
• 同期放射/SSCモデルにおける内在的ジェットパワーは、極めて高い効率でなければエディングトン発光度を超えるため、パワー予算の問題を示唆している。
• 最大のBlandford-Znajekパワーは約2×10⁴⁶ ℓ_Edd M₈ erg s⁻¹ であり、エディングトン発光度と同等で、外部コンプトン寄与なしでは観測発光度を説明できない。
• バルクローレンツ因子 Γ ≳ 30 の相対論的アウトフローは、2006年7月のSwiftおよびHESSデータにおけるγ-γ吸収制限を満たす。
• 二重ブラックホール系におけるより大きな約10⁹M☉ブラックホールからの外部コンプトン成分は、パワー要件を緩和し、コンプトン散乱のための追加のターゲット光子を提供する。
• 二重熱的降着円盤の特徴は、二重ブラックホール状況を確認するものであり、GLASTで検出可能な周期的スペクトル変動をもたらす可能性がある。