[論文レビュー] Implications of a possible 23 day periodicity for binary black hole models in Mkn~501

Frank Rieger, K. Mannheim|arXiv (Cornell University)|May 24, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

論文は、質量の小さいブラックホールが放出する相対論的ジェットの公転運動によって、Mkn 501のTeVおよびX線放射における観測された23日周期が生じると提案している。相対論的ビーム効果によるドップラーシフトを考慮したモデルにより、内在的公転周期は6〜14年、重心間隔は2.0〜3.5×10¹⁶ cmと導かれる。主ブラックホール質量は≤10⁸ M☉、準主ブラックホール質量は約(4–42)×10⁶ M☉であり、合体シナリオと整合的である。

ABSTRACT

We investigate the implications of a massive binary system in the centre of the gamma-ray blazar Mkn~501 and show that the periodical behaviour recently observed in the TeV and X-ray lightcurves may possibly be related to the orbital motion of the relativistic jet emerging from the less massive black hole. For the special relativistic jet properties inferred from emission models, we derive an intrinsic orbital period of $(6-14)$ yrs and a centre-of-mass distance of $(2.0-3.5) imes 10^{16}$ cm. If the binary is very close with a separation of the order of that for which gravitational radiation becomes dominant, we find a maximum primary mass of $\sim 10^8 M_{\sun}$ and a corresponding secondary mass in the range of $\sim (4-42) imes 10^6 M_{\sun}$ depending on the intrinsic jet properties. Such values are in line with the black hole masses expected from merger scenarios.

研究の動機と目的

• Mkn 501のTeVおよびX線光曲線に観測された23日周期が、二重ブラックホール系における公転運動によって説明可能かどうかを調査すること。
• 観測された変調と整合する内在的公転パラメータ（周期、距離）およびブラックホール質量を特定すること。
• 得られたパラメータが、銀河合体シナリオから得られる既知のブラックホール質量と整合するかを評価すること。
• 相対論的ビーム効果およびジェットの収束性が、観測されたフラックス変調をどのように生じさせるかを評価すること。
• ジェットの前進運動や他の長期的効果が、時間経過とともに周期信号を隠蔽または変化させる可能性があるかを検討すること。

提案手法

• 観測されたフラックス変調を、円運動する二重ブラックホール系における、質量の小さい方のブラックホールから発するジェットの相対論的ビーム効果としてモデル化する。
• ケプラーの第三法則を適用し、公転距離と全質量を内在的公転周波数 $\Omega_k = \sqrt{G(m+M)}/d^{3/2}$ と関係づける。
• ドップラー補強を用いて、観測された23日周期を内在的公転周期に結びつける。これには、整列因子 $\gamma$ と観測視角 $i$ を含む。
• VLBI観測と整合するための必要十分なジェット伝播長 $l_z \simeq 11–26$ pc および投影長 $l_p \simeq 1.4–2.1$ mas を導出する。
• ジェット収束性の制約を検討し、内在的開口角が0.05°未満である必要があるとし、磁場駆動ジェットモデルや二流体ジェット構造と整合的である。
• 追加の放射成分（例：ソフトX線または可視光）が、観測された変調深さおよびフラックス比に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mkn 501のTeVおよびX線放射における観測された23日周期は、二重ブラックホール系における相対論的ジェットの公転運動によって説明可能か？
• RQ2 相対論的ビーム効果によって観測された23日周期の変調を生じさせるために、必要な内在的公転周期と距離は何か？
• RQ3 ジェットが質量の小さい側から発生すると仮定した場合、観測された周期性およびドップラー変調と整合するブラックホール質量の範囲は何か？
• RQ4 ジェット収束性および多成分ジェット構造は、周期的変調の検出可能性および振幅にどのように影響するか？
• RQ5 ジェットの前進運動や他の長期的効果が、時間経過とともに観測周期を変化させる可能性があり、その場合モデルの予測にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ドップラー補強による観測周期のシフトを考慮した結果、二重系の内在的公転周期は6〜14年と制限される。
• 重心間隔は $2.0–3.5 \times 10^{16}$ cm と推定され、重力波放射が支配的となるような近接二重系と整合的である。
• 主ブラックホール質量は $\sim 10^8\,M_\odot$ に制限され、準主ブラックホール質量はジェット特性に応じて $\sim (4–42) \times 10^6\,M_\odot$ の範囲にある。
• 必要なジェット収束性は極めてきついもので、内在的開口角は0.05°未満であるとされ、磁場駆動および二流体ジェットモデルと整合的である。
• 観測された周期性はコアからの約3 mas付近で終了するとされ、ここではジェットが湾曲しているため、ジェット構造や放射領域の性質に変化がある可能性がある。
• モデルは、最大と最小のフラックス間でTeVフラックス比が約8、X線フラックス比が約5〜7であると予測しており、BeppoSAXおよびRXTE観測と整合的である。