[논문 리뷰] Implications of a possible 23 day periodicity for binary black hole models in Mkn~501

Frank Rieger, K. Mannheim|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

논문은 이중 블랙홀 시스템에서 질량이 더 작은 블랙홀이 방출하는 상대론적 제트의 궤도 운동에 의해 관측된 Mkn 501의 테바론 및 X선 방출에서 나타나는 23일 주기성이 기인된다고 제안한다. 상대론적 비스듬함에 의한 도플러 시프트된 광도 조절을 통해 모델은 내재된 궤도 주기를 6–14년으로 유도하고, 질량중심 간격을 2.0–3.5×10¹⁶ cm로 유도한다. 주 블랙홀 질량은 ≤10⁸ M☉이며, 보조 블랙홀 질량은 약 (4–42)×10⁶ M☉로 추정되며, 이는 융합 시나리오와 일치한다.

ABSTRACT

We investigate the implications of a massive binary system in the centre of the gamma-ray blazar Mkn~501 and show that the periodical behaviour recently observed in the TeV and X-ray lightcurves may possibly be related to the orbital motion of the relativistic jet emerging from the less massive black hole. For the special relativistic jet properties inferred from emission models, we derive an intrinsic orbital period of $(6-14)$ yrs and a centre-of-mass distance of $(2.0-3.5) imes 10^{16}$ cm. If the binary is very close with a separation of the order of that for which gravitational radiation becomes dominant, we find a maximum primary mass of $\sim 10^8 M_{\sun}$ and a corresponding secondary mass in the range of $\sim (4-42) imes 10^6 M_{\sun}$ depending on the intrinsic jet properties. Such values are in line with the black hole masses expected from merger scenarios.

연구 동기 및 목표

• 관측된 Mkn 501의 테바론 및 X선 광도 곡선에서 나타나는 23일 주기성이 이중 블랙홀 시스템의 궤도 운동에 의해 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• 관측된 조절에 부합하는 내재된 궤도 파rameters(주기, 간격)와 블랙홀 질량을 결정하기 위해.
• 유도된 파rameters가 은하 융합 시나리오에서 알려진 블랙홀 질량과 일치하는지 평가하기 위해.
• 상대론적 비스듬함과 제트 빛의 집중이 관측된 광도 조절을 생성하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 제트의 진동 또는 기타 장기적 효과가 시간이 지남에 따라 주기 신호를 가리거나 변화시킬 수 있는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 관측된 광도 조절을 원형 궤도에서 운행하는 이중 블랙홀 시스템에서 질량이 더 작은 블랙홀에 의해 방출된 제트의 상대론적 비스듬함에 기인하는 것으로 모델링한다.
• 케플러의 제3법칙을 적용하여 궤도 간격과 총 질량을 내재된 궤도 주파수 $\Omega_k = \sqrt{G(m+M)}/d^{3/2}$ 와 연결한다.
• 관측된 23일 주기와 내재된 궤도 주기 사이의 관계를 도플러 강화를 통해 유도하며, 이는 복합 러닝 팩터 $\gamma$ 와 시야 각도 $i$ 를 포함한다.
• 일관성 있는 VLBI 관측 결과를 위해 필요한 제트 전파 길이 $l_z \simeq 11–26$ pc 와 투영 길이 $l_p \simeq 1.4–2.1$ 마이크로초간스를 유도한다.
• 제트 빛의 집중 조건을 고려하여 내재된 개방 각도가 0.05° 이하여야 하며, 이는 자기장이 작용하는 제트 모델과 이중 유체 제트 구조와 일치한다.
• 추가적인 방출 성분(예: 연한 X선 또는 가시광선)이 관측된 조절 깊이와 광도 비율에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 Mkn 501의 테바론 및 X선 방출에서 나타나는 23일 주기성이 이중 블랙홀 시스템에서 상대론적 제트의 궤도 운동에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 상대론적 비스듬함을 통한 관측된 23일 조절을 생성하기 위해 필요한 내재된 궤도 주기와 간격은 무엇인가?
• RQ3 제트가 질량이 더 작은 성분에서 기인한다고 가정할 경우, 관측된 주기성과 도플러 조절과 일치하는 블랙홀 질량의 범위는 무엇인가?
• RQ4 제트의 빛의 집중과 다성분 제트 구조는 주기적 조절의 감지 가능성과 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제트의 진동 또는 기타 장기적 효과가 시간이 지남에 따라 관측된 주기성을 변화시킬 수 있으며, 이는 모델의 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 내재된 궤도 주기는 도플러 시프트된 조절에 기반해 6–14년으로 제약된다.
• 질량중심 간격은 약 $2.0–3.5 \times 10^{16}$ cm로 추정되며, 중력파 방출이 지배할 수 있는 가까운 이중 시스템과 일치한다.
• 주 블랙홀 질량은 $\sim 10^8\,M_\odot$ 이하로 제한되며, 보조 블랙홀 질량은 제트 성질에 따라 $\sim (4–42) \times 10^6\,M_\odot$ 범위에 있다.
• 필요한 제트 빛의 집중은 매우 좁으며, 내재된 개방 각도가 $0.05^\circ$ 이하여야 하며, 이는 자기장이 작용하는 이중 유체 제트 모델과 일치한다.
• 관측된 주기성은 약 3 마이크로초간스에서 끝날 수 있으며, 이는 제트가 굽어지기 시작함에 따라 제트 구조 또는 방출 영역 특성이 변화하기 때문일 수 있다.
• 모델은 최대 및 최소 광도 사이의 테바론 광도 비율 약 8과 X선 광도 비율 약 5–7을 예측하며, 이는 BeppoSAX 및 RXTE 관측 결과와 일치한다.