[논문 리뷰] Discovery of the Onset of Rapid Accretion by a Dormant Massive Black Hole

D. N. Burrows, F. E. Marshall외 54명|2011. 04. 25.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 45인용 수 246

한 줄 요약

이 논문은 X선 일시적 현상 스위프트 J1644+57에서 휴면 상태의 거대 블랙홀에서 발생한 상대론적 제트의 발생을 처음으로 관측한 것으로, 이는 별의 tidal 분해로 인한 것으로 여겨진다. 이 사건은 극도로 높은 빛의 세기, 빠른 변화, 그리고 레이저 인자 Γ ≲ 20인 자기적으로 지배되는 제트를 보이며, 이전에 침체 상태였던 블랙홀 시스템에서 초아크레디션 상태에서 제트 형성에 대한 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Massive black holes are believed to reside at the centres of most galaxies. They can be- come detectable by accretion of matter, either continuously from a large gas reservoir or impulsively from the tidal disruption of a passing star, and conversion of the gravitational energy of the infalling matter to light. Continuous accretion drives Active Galactic Nuclei (AGN), which are known to be variable but have never been observed to turn on or off. Tidal disruption of stars by dormant massive black holes has been inferred indirectly but the on- set of a tidal disruption event has never been observed. Here we report the first discovery of the onset of a relativistic accretion-powered jet in the new extragalactic transient, Swift J164449.3+573451. The behaviour of this new source differs from both theoretical models of tidal disruption events and observations of the jet-dominated AGN known as blazars. These differences may stem from transient effects associated with the onset of a powerful jet. Such an event in the massive black hole at the centre of our Milky Way galaxy could strongly ionize the upper atmosphere of the Earth, if beamed towards us.

연구 동기 및 목표

• 관측된 밝고 변화가 큰 X선 및 감마선 소스로서의 외성간 일시적 현상 스위프트 J1644+57의 기원을 규명하는 것.
• 이 일시적 현상이 휴면 상태의 블랙홀에서 활성 은하핵(AGN) 활동의 시작인지, 또는 별의 분해로 인한 것인지 판단하는 것.
• 제트의 물리적 특성, 즉 레이저 인자, 에너지 예산, 복사 메커니즘 등을 제약하는 것.
• 이러한 사건의 全천구 빈도를 추정하고, 별 분해 및 AGN 시작 이론 모델과 비교하는 것.
• 만일 이와 유사한 사건이 은하수 중심의 블랙홀 Sgr A*에서 발생하고 지구를 향해 비추어졌을 경우 지구에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 스위프트 BAT, XRT, EVLA를 이용한 다파장 관측을 통해 스위프트 J1644+57의 X선 및 전파 변화를 국소화하고 추적하는 데 사용.
• 광도 상태에 따라 변화하는 X선 스펙트럼 에너지 분포를 분석하고, 파wer 레인지 및 더 복잡한 모델(동기복사 및 역역행 복사 성분 포함)에 적합.
• FERMI 및 VERITAS 감마선 상한선을 적용하여 제트 내의 γ-γ 흡수에 기반해 전체 레이저 인자(Γ ≲ 20)를 추론.
• 제트를 자기적으로 지배되고 입자 부족 상태로 모델링하여, 낮은 광학 방출 및 높은 효율의 축적 에너지 전환을 고려.
• 적색편이 제한된 부피와 은하 밀도를 이용해 全천구 사건 빈도를 추정하고, 관측된 빈도(R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹)를 별 분해(10⁴ yr⁻¹) 및 AGN 시작(3 yr⁻¹) 이론 예측과 비교.
• 특히 은하수의 Sgr A*에서 발생했을 경우 지구 쪽을 향해 비추어질 가능성을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스위프트 J1644+57의 휴면 상태였던 거대 블랙홀에서 갑작스럽게 상대론적 제트가 발생한 원인은 무엇인가?
• RQ2 관측된 복사는 휴면 상태의 블랙홀에서 발생한 별 분해 사건인지, 또는 활성 은하핵(AGN) 활동의 시작인지와 일치하는가?
• RQ3 제트의 물리적 특성, 즉 레이저 인자, 에너지 예산, 복사 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 관측된 사건 빈도는 별 분해 및 AGN 시작에 대한 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 만일 Sgr A*에서 유사한 제트가 발생하고 지구를 향해 비추어졌을 경우 대기 및 환경에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 일시적 현상 스위프트 J1644+57는 2011년 3월 25일 스위프트 BAT에 의해 처음 감지되었으며, 피크 플럭스는 약 ~0.09 cts cm⁻² s⁻¹이었고, 2011년 3월 28일에 트리거되었다.
• X선 플럭스는 두 주 동안 약 5×10⁻⁹ erg cm⁻² s⁻¹에서 ~1.5×10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹로 감쇠되었으며, 갑작스럽게 <3×10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹로 떨어지는 급격한 강하가 관측되었다.
• X선 스펙트럼은 광자 지수 Γ ≈ 1.3–1.8인 파워 레인지에서 변화했으며, 상대론적 제트 복사와 일치하는 딱딱한 스펙트럼을 나타냈다.
• 제트는 자기적으로 지배되고 입자 부족 상태이며, 뚜렷한 광학 방출 부족과 낮은 전자 밀도 요구 조건에 의해 이를 뒷받침한다.
• FERMI 및 VERITAS 상한선에 기반해 제트 내의 γ-γ 흡수로 인해 전체 레이저 인자가 Γ ≲ 20(예상값 ≈10)로 제약된다.
• 이러한 사건의 全천구 빈도는 R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹(90% 신뢰구간: 0.08–3.9 yr⁻¹)로 추정되었으며, 별 분해나 AGN 시작 동안의 제트 형성 이론 모델과 일치한다.