[論文レビュー] OJ 287 binary black hole system

Mauri Valtonen, Ciprini, Stefano|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

論文は、一般相対性理論に従う二重ブラックホール系としてのOJ 287の強力な観測的証拠を提示しており、2005年10月の増光が相対論的歳差によって正確に予測された時期に発生した。これはモデルを裏付け、単一ブラックホールまたは歳差のない二重ブラックホール理論を否定する。この時刻の一致に加え、その後の増光およびジェットの揺れは、一般相対性理論が第3後ニュートン順序まで正当化されることを示している。

ABSTRACT

The light curve of the quasar OJ 287 extends from 1891 up today without major gaps. Here we summarize the results of the 2005 - 2010 observing campaign. The main results are the following: (1) The 2005 October optical outburst came at the expected time, thus confirming the general relativistic precession in the binary black hole system. This result disproved the model of a single black hole system with accretion disk oscillations, as well as several toy models of binaries without relativistic precession. In the latter models the main outburst would have been a year later. (2) The nature of the radiation of the 2005 October outburst was expected to be bremsstrahlung from hot gas at the temperature of $3 imes 10^{5}$ $^{\circ}$K. This was confirmed by combined ground based and ultraviolet observations using the XMM-Newton X-ray telescope. (3) A secondary outburst of the same nature was expected at 2007 September 13. Within the accuracy of observations (about 6 hours), it started at the correct time. Thus the prediction was accurate at the same level as the prediction of the return of Halley's comet in 1986. (4) Further synchrotron outbursts were expected following the two bremsstrahlung outbursts. They came as scheduled between 2007 October and 2009 December. (5) Due to the effect of the secondary on the overall direction of the jet, the parsec scale jet was expected to rotate in the sky by a large angle around and after 2009. This rotation may have been seen at high frequency radio observations. OJ 287 binary black hole system is currently our best laboratory for testing theories of gravitation. Using OJ 287, the correctness of General Relativity has now been demonstrated at higher order than has been possible using the binary pulsars.

研究の動機と目的

• OJ 287の周期的増光の原因としての歳差する二重ブラックホールモデルを、他の説明と比較して検証すること。
• 観測された増光が一般相対性理論、特に相対論的歳差の予測と一致するかどうかを特定すること。
• 増光中の放射の性質とジェット方向の長期的変化を調査すること。
• 主ブラックホールの四重極モーメントを測定することでノーヘア定理を検証すること。
• OJ 287を、二重パルサーを上回る高精度の重力理論の実験的検証施設として確立すること。

提案手法

• 2005年から2010年までの多波長観測キャンペーンを実施。光学、紫外、電波帯域で数百人の科学者およびアマチュア天文学研究者が参加した。
• Sillanpääら（1988）およびSundeliusら（1997）の相対論的歳差モデルを用い、軌道力学と円盤の摂動に基づいて増光時刻を予測した。
• ブレムストラール放射モデルを適用し、2005年の増光の熱的性質を予測し、XMM-Newtonの紫外・X線観測と比較した。
• ジェットの偏光および位置角データを分析し、同伴ブラックホールの重力的影響による揺れを検出した。
• 9つの増光事象の軌道フィットから四重極モーメントパラメータ q を計算し、ノーヘア定理の検証を行った。
• 有効な軌道解における q 値の統計的解析を用い、q=1（ブラックホール）と q>2（非ブラックホール）モデルの信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2005年10月の増光は、二重ブラックホール系における一般相対性理論的歳差によって予測された時期に発生したか？
• RQ2 2005年の増光中の放射は、歳差する二重ブラックホールモデルが予測するように偏光のないブレムストラールと一致するか？
• RQ3 2007年9月13日の2番目の増光を含む、その後の増光は、予測された時刻と性質と一致するか？
• RQ4 パーセクスケールのジェットに、Kozaiサイクルおよび円盤歳差に一致する揺れが観測されたか？
• RQ5 主ブラックホールの四重極モーメントパラメータ q は、十分な精度で測定可能であり、ノーヘア定理（q=1）の確認が可能か？

主な発見

• 2005年10月の増光は、2005.76に発生し、予測時刻2005.74と1週間以内に一致した。これは相対論的歳差を裏付け、歳差のないモデルを除外した。
• 2007年9月13日の2番目の増光は、予測時刻から6時間以内に開始され、1986年のハリー彗星の予測精度と同等であった。
• XMM-Newtonの観測により、2005年の増光放射が約3×10⁵ Kのブレムストラールであることが確認され、歳差する二重ブラックホールモデルと整合的であった。
• その後のシンクロトロン増光は、2007年10月から2009年12月にかけて、潮汐力駆動メカニズムによって予測された通りに発生した。
• パーセクスケールのジェットには、Kozaiサイクルおよび円盤歳差に一致する揺れの兆候が認められ、電波観測から3年間の応答遅れが示唆された。
• 四重極モーメントパラメータ q の分布は q=1 にピークを示し、ノーヘア定理の確認に成功。q=0 または q=2 のモデルは3σの信頼水準で除外され、一般相対性理論は第3後ニュートン順序まで正当化された。