[論文レビュー] Powerful jets from accreting black holes: evidence from the optical and infrared

D. M. Russell, R. P. Fender|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jan 8, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、可視光および赤外線（OIR）波長からの観測的証拠を提示し、X線連星系に存在する星質量ブラックホールが、しばしばその全波長放射光度と同等の運動エネルギーを持つ相対論的ジェットを生成することを示している。OIRジェットの放射および周囲物質との相互作用を分析することにより、ジェットのエネルギー出力、ローレンツ因子、エネルギー損失などの性質が制約され、星質量から超大質量ブラックホールに至る幅広い質量範囲におけるジェット物理学の統一的視点が支持される。

ABSTRACT

A common consequence of accretion onto black holes is the formation of powerful, relativistic jets that escape the system. In the case of supermassive black holes at the centres of galaxies this has been known for decades, but for stellar-mass black holes residing within galaxies like our own, it has taken recent advances to arrive at this conclusion. Here, a review is given of the evidence that supports the existence of jets from accreting stellar-mass black holes, from observations made at optical and infrared wavelengths. In particular it is found that on occasion, jets can dominate the emission of these systems at these wavelengths. In addition, the interactions between the jets and the surrounding matter produce optical and infrared emission on large scales via thermal and non-thermal processes. The evidence, implications and applications in the context of jet physics are discussed. It is shown that many properties of the jets can be constrained from these studies, including the total kinetic power they contain. The main conclusion is that like the supermassive black holes, the jet kinetic power of accreting stellar-mass black holes is sometimes comparable to their bolometric radiative luminosity. Future studies can test ubiquities in jet properties between objects, and attempt to unify the properties of jets from all observable accreting black holes, i.e. of all masses.

研究の動機と目的

• 可視光および赤外線（OIR）データを用いて、降着している星質量ブラックホールからの相対論的ジェットの観測的証拠を確立すること。
• 全波長スペクトルエネルギー分布（SED）を用いて、ジェットの運動エネルギー出力、ローレンツ因子、閉じ込められ方などの性質を制約すること。
• OIRバンドにおける熱的および非熱的過程を通じて、ジェットと銀河間物質（ISM）との相互作用を調査すること。
• 星質量ブラックホールから得られた結果をスケーリングして、活動銀河核（AGN）に存在する超大質量ブラックホールのジェット特性と照らし合わせ、ジェット特性の普遍性を検証すること。
• OIR偏光および高速時間変動の研究が、ジェット内部領域およびジェット形成メカニズムを解明する可能性を探索すること。

提案手法

• ブラックホールX線連星（BHXBs）の可視光および赤外線（OIR）スペクトルおよび光度曲線を分析し、コンパクトジェット放射を検出・特徴付ける。
• OIRデータを電波、X線、ガンマ線観測と統合し、ジェットの全波長スペクトルエネルギー分布（SED）を構築する。
• スペクトル指数の測定（例：α ≈ -0.7）を用いて、光学的に薄いジェット放射を推定し、ジェットの幾何学的形状および光学厚さを制約する。
• 時間に依存するジェットモデルを適用し、質量降着率およびX線状態に応じたジェットの進化を研究する。
• OIRにおける移動する発光線およびバッシュ・ショック構造を用いて、ジェット速度および時間平均ジェット出力を測定する。
• 理論的ジェットモデルとOIRジェット特性を比較し、ローレンツ因子、寸法、閉じ込められ方を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星質量ブラックホールX線連星におけるコンパクトジェットからの可視光および赤外線放射の起源と性質は何か？
• RQ2 星質量ブラックホールからのジェットの運動エネルギー出力は、その全波長放射光度と比べてどの程度の大きさか？
• RQ3 BHXBにおけるジェット特性は、質量降着率およびX線状態にどのように依存するか？また、それらはAGNのジェット特性と統一的に解釈可能か？
• RQ4 OIR偏光および高速時間変動測定は、ジェット内部領域における磁場配置およびエネルギー抽出メカニズムをどの程度制約できるか？
• RQ5 ジェットとISMの相互作用が、大スケールの可視光および赤外線放射を生じる役割を果たすか？また、これによりジェットのエネルギー損失および組成に関する情報が得られるか？

主な発見

• BHXBにおけるコンパクトジェットからの可視光および赤外線放射は、多くの場合光学的に薄く、スペクトル指数α ≈ -0.7であるため、相対論的電子によるシンチロトロン放射であると示唆される。
• 一部の事例では、ジェットの運動エネルギー出力が放射光度を上回っており、ジェットが放射されるエネルギーを上回るエネルギーを運ぶ可能性があることが示された。
• OIRバッシュ・ショックネビュラからのジェット出力は、時間平均ジェット出力の独立した推定値を提供し、全波長SEDモデリングと整合的である。
• 摂動するジェットからの移動発光線の検出により、ジェット速度の直接測定が可能となり、相対論的スピードであることが裏付けられた。
• ISM内でのジェットの伝播および減速を研究するため、OIRで観測された離散的で移動する電波エジェクトを解像できる。
• BHXBからのOIRジェット特性をAGNにスケーリングすることで、ブラックホール質量にわたるジェット物理学の潜在的な普遍性が示唆された。