[논문 리뷰] A precise determination of angular momentum in the black hole candidate GRO J1655-40

M. A. Abramowicz, W. Kluźniak|2001. 05. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 241

한 줄 요약

논문은 블랙홀 후보자 GRO J1655-40에서 관측된 300 Hz 및 450 Hz 고주파 quasi-periodic oscillations(QPOs)가 케러 블랙홀의 원형 궤도와 반경 방향 비틀림 운동 주파수 사이의 1:2 또는 1:3 공진에서 기인한다고 제안한다. 관측된 2:3 주파수 비율과 질량 추정치 5.5–7.9 M☉를 바탕으로, 블랙홀의 무차원 각운동량 j는 0.2 < j < 0.65의 범위에 속하며, 슈바르츠실트 및 최대 케러 구조를 배제한다.

ABSTRACT

We note that the recently discovered 450 Hz frequency in the X-ray flux of the black hole candidate GRO J1655-40 is in a 3:2 ratio to the previously known 300 Hz frequency of quasi-periodic oscillations (QPO) in the same source. If the origin of high frequency QPOs in black hole systems is a resonance between orbital and epicyclic motion of accreting matter, as suggested previously, the angular momentum of the black hole can be accurately determined, given its mass. We find that the dimensionless angular momentum is in the range $0.2

연구 동기 및 목표

• GRO J1655-40의 블랙홀 각운동량을 고주파 QPOs를 통해 추정한다.
• 300 Hz 및 450 Hz QPOs가 케러 블랙홀에서 궤도 운동과 반경 방향 비틀림 운동 사이의 공진에 기인하는지 테스트한다.
• 관측된 QPO 주파수와 질량 추정치를 바탕으로 블랙홀의 케러 매개변수 j를 제약한다.
• 공진 모델에 기반하여 슈바르츠실트 및 최대 케러 구성이 일치하지 않는지를 규명한다.

제안 방법

• 300 Hz 및 450 Hz QPOs의 2:3 주파수 비율이 궤도 운동과 반경 방향 비틀림 운동 주파수 사이의 비선형 공진을 나타낸다고 가정한다.
• 기존의 상대론적 공식을 사용하여 케러 계량을 적용하여 원형 등위도 궤도를 모델링하고, 반경 방향 비틀림 주파수와 궤도 주파수를 계산한다.
• 두 가지 공진 시나리오를 고려한다: 1:2(Ω = 300 Hz, Ω + ω = 450 Hz) 및 1:3(Ω = 450 Hz, Ω - ω = 300 Hz), 여기서 ω는 반경 방향 비틀림 주파수이고 Ω는 궤도 주파수이다.
• 광학 관측에서 유도된 질량 범위 5.5–7.9 M☉를 사용하여 이 범위 내에서 j를 계산한다.
• 수직 비틀림 공진은 관측 주파수와 부합하지 않아 배제한다.
• 카토 [4]의 상대론적 주파수 표현식을 사용하여 질량 및 공진 모델의 불확실성에 따라 j를 통합 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRO J1655-40의 300 Hz 및 450 Hz QPOs는 케러 블랙홀에서 반경 방향 비틀림 운동과 궤도 운동 사이의 공진에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 QPO 주파수와 질량 추정치를 바탕으로 블랙홀의 무차원 각운동량 j의 범위는 무엇인가?
• RQ3 GRO J1655-40의 블랙홀은 슈바르츠실트 또는 최대 케러 구성과 일치하는가?
• RQ4 1:2 또는 1:3 공진 모델 중에서 관측된 QPO의 2:3 주파수 비율을 가장 잘 설명하는 것은 무엇인가?

주요 결과

• GRO J1655-40의 300 Hz 및 450 Hz QPOs는 2:3 비율을 이루며, 궤도 운동과 반경 방향 비틀림 주파수 사이의 비선형 공진을 강력히 지지한다.
• 블랙홀의 무차원 각운동량 j는 공진 모델과 질량 범위에 따라 0.2 < j < 0.65로 제약된다.
• 1:2 공진의 경우 j는 0.2에서 0.6까지, 1:3 공진의 경우 0.3에서 0.65까지 범위를 가진다. 상한은 7.9 M☉, 하한은 5.5 M☉에서 결정된다.
• 블랙홀은 슈바르츠실트(j = 0) 또는 최대 케러(j = 1) 블랙홀이 아니며, 이는 일부 이전 보고와 모순된다.
• j에 대한 주요 불확실성은 공진 모델 선택이 아니라 질량 추정치에서 기인한다.
• 약 6 M☉의 질량에서 j ≈ 0.3의 중간 정도의 값은 블랙홀이 저질량의 동반성으로부터 각운동량을 적립시켜 장기간 유지된 이원성계와 일치한다.