[論文レビュー] Discovery of the Onset of Rapid Accretion by a Dormant Massive Black Hole

D. N. Burrows, F. E. Marshall+54 more|Apr 25, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 45被引用数 246

ひとこと要約

本論文は、恒星の潮汐破壊によって引き起こられた可能性がある、静止状態の質量ブラックホールから発生した相対論的ジェットの発生を初めて検出した。この現象は極めて高い輝度、急速な変動性、およびローレンツ因子 Γ ≲ 20 の磁気的に支配されたジェットを示し、かつて静止状態であったブラックホール系における超Eddington降着時のジェット形成の直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

Massive black holes are believed to reside at the centres of most galaxies. They can be- come detectable by accretion of matter, either continuously from a large gas reservoir or impulsively from the tidal disruption of a passing star, and conversion of the gravitational energy of the infalling matter to light. Continuous accretion drives Active Galactic Nuclei (AGN), which are known to be variable but have never been observed to turn on or off. Tidal disruption of stars by dormant massive black holes has been inferred indirectly but the on- set of a tidal disruption event has never been observed. Here we report the first discovery of the onset of a relativistic accretion-powered jet in the new extragalactic transient, Swift J164449.3+573451. The behaviour of this new source differs from both theoretical models of tidal disruption events and observations of the jet-dominated AGN known as blazars. These differences may stem from transient effects associated with the onset of a powerful jet. Such an event in the massive black hole at the centre of our Milky Way galaxy could strongly ionize the upper atmosphere of the Earth, if beamed towards us.

研究の動機と目的

• X線トランジエンス Swift J1644+57 の起源を特定すること。この現象は明るく変動するX線およびガンマ線源として観測された。
• このトランジエンスが、恒星の潮汐破壊に起因するのか、それとも静止状態のブラックホールにおける活動銀河核（AGN）の発生に起因するのかを特定すること。
• ジェットの物理的性質、特にローレンツ因子、エネルギー予算、および放射メカニズムを制約すること。
• このようなイベントの全天空率を推定し、潮汐破壊およびAGN発生の理論的モデルと比較すること。
• このようなイベントが、天の川銀河の中心ブラックホール Sgr A* で発生した場合に、地球に与える影響を評価すること。

提案手法

• Swift BAT、XRT、および EVLA の多波長観測を用いて、Sw J1644+57 のX線および電波変動を局所化し追跡した。
• フラックス状態に応じたX線スペクトルエネルギー分布を分析し、パワー則およびシンチロトロンおよび逆コンプトン放射成分を含むより複雑なモデルにフィットした。
• Fermi および VERITAS のガンマ線上限を用いて、ジェット内でのγ-γ吸収を介し、バルクローレンツ因子（Γ ≲ 20）を推定した。
• ジェットを磁気的に支配され、粒子が不足しているものとしてモデル化した。これは、光学放射が顕著に弱く、電子密度が低い必要があることと整合する。
• 赤方偏移制限付き体積と銀河密度を用いて全天空イベント率を推定し、観測された率（R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹）を、潮汐破壊（10⁴ yr⁻¹）およびAGN発生（3 yr⁻¹）の理論的予測と比較した。
• 特に、天の川銀河の Sgr A* におけるこのようなイベントが地球に向けてビーム化される確率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sw J1644+57 のかつて静止状態であった質量ブラックホールで、なぜ相対論的ジェットが突然発生したのか？
• RQ2 観測された放射は、潮汐破壊イベントに一致しているのか、それとも静止状態のブラックホールにおけるAGN活動の発生に一致しているのか？
• RQ3 ジェットの物理的性質（ローレンツ因子、エネルギー予算、放射メカニズム）は何か？
• RQ4 観測されたイベント率は、潮汐破壊およびAGN発生の理論的予測とどのように一致するか？
• RQ5 Sgr A* が同様のジェットを発生させ、かつ地球に向けてビーム化された場合、大気および環境にどのような影響を与えるだろうか？

主な発見

• トランジエンス Sw J1644+57 は、2011年3月25日に Swift BAT によって最初に検出され、ピークフラックスは約 0.09 cts cm⁻² s⁻¹ であった。2011年3月28日にトリガーが発動した。
• X線フラックスは、2週間の間に約 5×10⁻⁹ erg cm⁻² s⁻¹ から約 1.5×10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹ に減衰し、急激なディップが <3×10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹ まで低下した。
• X線スペクトルは、ガンマ線指数 Γ ≈ 1.3–1.8 のパワー則から成り、相対論的ジェット放射に一致する硬いスペクトルを示した。
• ジェットは磁気的に支配され、粒子が不足している。これは、顕著な光学放射がなく、低い電子密度を要するという事実と一致する。
• Fermi および VERITAS の上限に基づき、ジェット内でのγ-γ吸収を介し、バルクローレンツ因子は Γ ≲ 20（仮定値 ≈10）に制限された。
• このようなイベントの全天空率は、R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹（90%信頼区間：0.08–3.9 yr⁻¹）と推定され、潮汐破壊またはAGN発生時のジェット形成の理論的モデルと整合的であった。