[논문 리뷰] A spinning supermassive black hole binary revealed by VLBI data on the jet of S5 1928+738

Emma Kun, K. É. Gabányi외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 11.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 2

한 줄 요약

18년에 걸친 VLBI 데이터를 바탕으로, 본 연구는 S5 1928+738의 제트를 나선형 구조로 모델링하여 제트 기울기와 위치각의 주기적 변동을 탐지하고, 이를 초거대 블랙홀 이중성의 궤도 운동으로 해석한다. 제트 방향의 선형적 경향은 스핀-오비트 프리세션을 나타내며, 더 질량이 큰 블랙홀의 프리세션 주기는 4852±646년으로 산정되어, 그 자전 성질에 대한 첫 번째 VLBI 기반 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) allows for high-resolution and high-sensitivity observations of relativistic jets, that can reveal periodicities of several years in their structure. We perform an analysis of long-term VLBI data of the quasar S5 1928+738 in terms of a geometric model of a helical structure projected onto the plane of the sky. We monitor the direction of the jet axis through its inclination and position angles. We decompose the variation of the inclination of the inner 2 milliarcseconds of the jet of S5 1928+738 into a periodic term with amplitude of ~0.89 deg and a linear decreasing trend with rate of ~0.05 deg/yr. We also decompose the variation of the position angle into a periodic term with amplitude of ~3.39 deg and a linear increasing trend with rate of ~0.24 deg/yr. We interpret the periodic components as arising from the orbital motion of a binary black hole inspiraling at the jet base and derive corrected values of the mass ratio and separation from the accumulated 18 years of VLBI data. Then we identify the linear trends in the variations as due to the slow reorientation of the spin of the jet emitter black hole induced by the spin-orbit precession and we determine the precession period T_SO=4852+/-646 yr of the more massive black hole, acting as the jet emitter. Our study provides indications, for the first time from VLBI jet kinematics, for the spinning nature of the jet-emitting black hole.

연구 동기 및 목표

• 장기적인 제트 운동을 VLBI 데이터를 활용해 분석하여 주기적 및 영구적 변동을 탐지하기.
• 제트 기울기와 위치각의 주기적 변동이 이중 블랙홀 시스템에서 기인하는지 여부를 규명하기.
• 제트 방향의 영구적 경향을 통해 제트를 방출하는 블랙홀의 스핀-오비트 프리세션 증거로 삼기.
• 관측된 주기성으로부터 이중 블랙홀 시스템의 질량 비율과 간격을 추정하기.
• 프리세션 주기 추정을 통해 더 질량이 큰 블랙홀의 자전 상태를 추론하기.

제안 방법

• 핵심에서 2 밀리초각 떨어진 제트의 기울기와 위치각을 추적하기 위해 18년간의 VLBI 데이터 분석.
• 관측된 변동을 천체적 나선형 제트 모델로 해석하고 천구 평면에 투영하기.
• 시간 시리즈 분석을 통해 기울기와 위치각의 변동을 주기적 성분과 선형 경향 성분으로 분해하기.
• 주기적 성분을 이용해 이중 블랙홀 시스템의 궤도 파rameter, 즉 질량 비율과 간격 추정하기.
• 선형 경향을 스핀-오비트 프리세션으로 모델링하고 더 질량이 큰 블랙홀의 프리세션 주기 T_SO = 4852±646년 산정하기.
• 장기적 누적 데이터를 적용해 유도된 파rameter에 보정을 가해 정확도 향리하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S5 1928+738의 제트 기울기와 위치각에서 관측된 주기적 변동은 초거대 블랙홀 이중성의 궤도 운동 때문인가?
• RQ2 제트 방향의 영구적 경향으로부터 유도된 스핀-오비트 프리세션 주기는 S5 1928+738의 더 질량이 큰 블랙홀에 대해 얼마인가?
• RQ3 관측된 주기적 및 영구적 변동은 이중 블랙홀 시스템의 질량 비율과 간격을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 제트 운동학적 특성은 제트를 방출하는 블랙홀의 자전 성질에 대해 어떤 증거를 제공하는가?
• RQ5 VLBI 데이터만으로도 초거대 블랙홀 시스템에서 스핀-오비트 프리세션을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 제트 기울기의 주기적 변동 진폭은 약 0.89도이며, 이는 이중 블랙홀 시스템의 궤도 운동으로 해석된다.
• 제트 기울기의 선형 경향은 매년 약 0.05도 감소하는 경향을 보이며, 스핀-오비트 프리세션과 일치한다.
• 위치각의 주기적 변동 진폭은 약 3.39도이며, 매년 약 0.24도 증가하는 선형 경향이 있다.
• 더 질량이 큰 블랙홀의 프리세션 주기는 T_SO = 4852 ± 646년으로 결정되어 그 자전 성질에 대한 직접적 증거가 된다.
• 본 연구는 제트를 방출하는 초거대 블랙홀의 자전 성질에 대한 첫 번째 VLBI 기반 관측적 증거를 규명했다.
• 18년간의 누적 VLBI 데이터를 활용해 유도된 질량 비율과 간격이 보정되어 신뢰도가 향상되었다.