[논문 리뷰] An eclipsing binary black hole candidate system in the blazar Mrk 421

E. Benítez, J. I. Cabrera외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

논문은 블라자르 Mrk 421이 주로 광학, 하드 X선, 감마선 대역에서 310 ± 1일의 주기성을 보이며, 이는 후보로 간주되는 이중 초거대 브라운워크 블랙홀 시스템일 수 있음을 제안한다. 외상 없이 형성된 광선 곡선과 최대우도 모델링을 통해, 일식 기간 동안 빛의 강도가 136.4% 증가하는 것으로 확인되었으며, 이는 질량이 큰 동반 천체에 의한 중력 렌즈 효과로 해석된다. 일식 기간은 궤도 주기의 9.7%에 불과하다.

ABSTRACT

Removing outbursts from multiwavelength light curves of the blazar Mrk~421, we construct outburstless time series for this system. A model-independent power spectrum light curve analysis in the optical, hard X-ray and gamma-rays for this outburstless state and also the full light-curves, show clear evidence for a periodicity of ~ 310 days across all wavelengths studied. A subsequent full maximum likelihood analysis fitting an eclipse model confirms a periodicity of 310 \pm 1 days. The power spectrum of the signal in the outburstless state of the source does not follow a flicker noise behaviour and so, the system producing it is not self-organised. This and the fact that the periodicity is better defined in the outburstless state, strongly suggests that it is not produced by any internal physical processes associated to the central engine. The simplest physical mechanism to which this periodicity could be ascribed is a dynamical effect produced by an orbiting supermassive black hole companion eclipsing the central engine. Interestingly, the optimal eclipse model infers a brightness enhancement of (136.4 \pm 20 )%, suggesting an eclipse resulting in a gravitational lensing brightening. Consisting with this interpretation, the eclipse occurs for only ( 9.7 \pm 0.2)% of the orbital period.

연구 동기 및 목표

• 외상이 없는 상태에서 Mrk 421의 블라자르에서 다중 파장 영역에서 주기적 변동성을 조사하기 위해.
• 관측된 주기성이 내재된 중심 엔진 과정인지, 외부 역학적 효과인지를 판단하기 위해.
• 초거대 블랙홀 동반 천체가 주기적 일식과 중력 렌즈 효과를 유도한다는 가설을 시험하기 위해.
• 일반화된 일식 함수를 사용하여 광선 곡선을 모델링하고, 지속 시간, 깊이, 밝기 증가 등의 물리적 매개변수를 추론하기 위해.
• 불규칙하게 샘플링된 변동 광선 곡선에서 자기조직화된 플리커 노이즈와 일관된 주기 신호를 구분하기 위해.

제안 방법

• 광학, 하드 X선, γ선 대역에서 3σ 노이즈 수준 이상의 복사율을 제거하여 외상이 없는 광선 곡선을 구축하였다.
• 불규칙하게 샘플링된 데이터에서 주기성을 탐지하기 위해 모델에 의존하지 않는 주기분석을 위해 R 패키지 RobPer를 적용하였다.
• X선 광선 곡선에 일반화된 일식 모델의 최대우도 적합을 수행하여 주파수, 단계, 지속 시간, 일식 비율을 추정하였다.
• 일식 비율 매개변수를 사용하여 신호의 물리적 성격을 추론하였으며, 음수 값은 질량이 큰 동반 천체에 의한 중력 렌즈 효과로 인한 밝기 증가를 나타낸다.
• X선 광선 곡선을 310일 주기로 반복하여 주기적 변조를 시각화하고 일식 모델의 타당성을 검증하였다.
• 외상 포함 상태와 외상 없는 상태의 노이즈 특성을 비교하여 플리커 노이즈가 주기성의 근본 원인일 수 없음을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외상이 제거된 Mrk 421의 다파장 광선 곡선에서 비랜덤한 일관된 주기 신호가 존재하는가?
• RQ2 관측된 주기성이 초거대 블랙홀 동반 천체에 의한 궤도적 일식과 같은 역학적 과정으로 기인하는가?
• RQ3 광선 곡선이 중력 렌즈 효과로 인한 밝기 증가를 보이며, 질량이 큰 동반 천체와 일치하는가?
• RQ4 주기 신호가 중심 엔진 내부의 내재된 플리커 노이즈나 자기조직화된 변동성과 독립적인가?
• RQ5 일식 모델에서 궤도 주기, 일식 지속 시간, 밝기 증가 등의 물리적 매개변수를 어떻게 제약 조건화할 수 있는가?

주요 결과

• 외상이 없는 상태에서 Mrk 421의 광학, 하드 X선, γ선 대역에서 310 ± 1일의 강력한 주기성이 확인되었다.
• 외상이 없는 상태의 파wer 스펙트럼은 browm-noise 행동을 보이며, 무작위적이지 않은 공명적 과정임을 시사한다. 이는 활성 상태에서 관측된 플리커 노이즈와는 다름.
• 최대우도 일식 모델은 -9.7%의 음수 일식 비율을 도출하였으며, 이는 일식 기간 동안 136.4%의 밝기 증가에 해당한다.
• 일식 지속 시간은 매우 짧아 궤도 주기의 9.7%에 불과하며, 이는 중력 렌즈 효과를 유도하는 밀도가 높고 질량이 큰 천체와 일치한다.
• 주기성이 외상이 없는 상태에서 더 명확히 드러나므로, 내재된 변동성보다는 역학적 일식 메커니즘이 더 잘 설명하는 것으로 판단된다.
• 최적의 일식 모델에서 정현파 형태가 관측되지 않아, 특히 불규칙하게 샘플링된 데이터에 대해 일반화된 주기 함수가 필요함을 강조한다.