[논문 리뷰] OJ 287 binary black hole system

Mauri Valtonen, Ciprini, Stefano|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 06.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 5

한 줄 요약

논문은 일반 상대성 이론에 의해 지배되는 이중 블랙홀 시스템임을 강력한 관측적 증거로 제시한다. 2005년 10월의 폭발은 상대론적 운동량 변화에 의해 정확히 예측된 시점에 발생했으며, 이는 모델을 확인하고 단일 블랙홀 또는 비운동량 변화가 있는 이중 블랙홀 이론을 배제한다. 이 시간 타이밍과 이후의 폭발, 제트의 진동은 일반 상대성 이론을 제3후뉴턴 순서까지 검증한다.

ABSTRACT

The light curve of the quasar OJ 287 extends from 1891 up today without major gaps. Here we summarize the results of the 2005 - 2010 observing campaign. The main results are the following: (1) The 2005 October optical outburst came at the expected time, thus confirming the general relativistic precession in the binary black hole system. This result disproved the model of a single black hole system with accretion disk oscillations, as well as several toy models of binaries without relativistic precession. In the latter models the main outburst would have been a year later. (2) The nature of the radiation of the 2005 October outburst was expected to be bremsstrahlung from hot gas at the temperature of $3 imes 10^{5}$ $^{\circ}$K. This was confirmed by combined ground based and ultraviolet observations using the XMM-Newton X-ray telescope. (3) A secondary outburst of the same nature was expected at 2007 September 13. Within the accuracy of observations (about 6 hours), it started at the correct time. Thus the prediction was accurate at the same level as the prediction of the return of Halley's comet in 1986. (4) Further synchrotron outbursts were expected following the two bremsstrahlung outbursts. They came as scheduled between 2007 October and 2009 December. (5) Due to the effect of the secondary on the overall direction of the jet, the parsec scale jet was expected to rotate in the sky by a large angle around and after 2009. This rotation may have been seen at high frequency radio observations. OJ 287 binary black hole system is currently our best laboratory for testing theories of gravitation. Using OJ 287, the correctness of General Relativity has now been demonstrated at higher order than has been possible using the binary pulsars.

연구 동기 및 목표

• OJ 287의 주기적 폭발에 대한 이론적 설명으로서 운동량 변화가 있는 이중 블랙홀 모델을 다른 설명들과 비교하여 검증한다.
• 관측된 폭발이 일반 상대성 이론, 특히 상대론적 운동량 변화에 의해 예측된 바와 일치하는지 확인한다.
• 폭발 기간 동안 복사의 성격과 제트 방향의 장기적 변화를 조사한다.
• 주 블랙홀의 이중극 모멘트를 측정하여 양털 정리를 검증한다.
• 이중 펄서를 초월한 중력 이론을 시험할 수 있는 고정밀 실험실로 OJ 287을 확립한다.

제안 방법

• 2005~2010년에 걸친 다파장 관측 캠프를 수행하였으며, 수백 명의 과학자와 아마추어 천문학자가 가시광선, 자외선, 전파 대역에서 관측에 참여하였다.
• Sillanpää 등(1988)과 Sundelius 등(1997)의 상대론적 운동량 변화 모델을 적용하여 궤도 역학과 디스크의 왜곡을 바탕으로 폭발 시기를 예측하였다.
• 브레머스트라할루션 복사 모델을 사용하여 2005년 폭발의 열적 성격을 예측하고, XMM-Newton의 자외선/엑스선 관측 결과와 비교하였다.
• 제트의 편광 및 위치각 데이터를 분석하여 동반 블랙홀의 중력적 영향으로 인한 진동을 탐지하였다.
• 9개의 폭발에 대한 궤도 피팅을 통해 이중극 모멘트 매개변수 q를 계산하여 양털 정리를 검증하였다.
• 유의미한 궤도 해에 대해 q값의 통계적 분석을 수행하여 q=1(블랙홀)과 q>2(비블랙홀) 모델 간의 신뢰도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2005년 10월 폭발은 이중 블랙홀 시스템에서 일반 상대성 이론의 운동량 변화에 의해 예측된 시점과 일치하는가?
• RQ2 2005년 폭발 기간 동안의 복사는 운동량 변화가 있는 이중 블랙홀 모델이 예측한 바와 같이 편광이 없는 브레머스트라할루션과 일치하는가?
• RQ3 2007년 9월 13일 폭발을 포함한 이후 폭발들은 예측된 타이밍과 성격을 갖는가?
• RQ4 파섹 규모의 제트가 코자이 사이클과 디스크의 운동량 변화에 의해 설명되는 바와 같이 진동하는가?
• RQ5 이중극 모멘트 매개변수 q는 충분히 정밀하게 측정되어 주 블랙홀에 대해 양털 정리(q=1)를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 2005년 10월 폭발은 2005.76에 발생하였으며, 예측된 2005.74와 1주일 이내로 일치하여 상대론적 운동량 변화를 확인하고 비운동량 변화 모델을 배제한다.
• 2007년 9월 13일의 2차 폭발은 예측된 시간과 6시간 이내에 시작되어, 1986년 할레이다 코메트 예측의 정확도를 충족한다.
• XMM-Newton 관측 결과는 2005년 폭발 복사가 약 3×10⁵ K에서의 브레머스트라할루션임을 확인하였으며, 운동량 변화가 있는 이중 블랙홀 모델과 일치한다.
• 이후의 싱크로트론 폭발은 2007년 10월부터 2009년 12월까지 타성력 메커니즘에 의해 예측된 대로 발생하였다.
• 파섹 규모의 제트는 코자이 사이클과 디스크의 운동량 변화에 의해 설명되는 바와 같이 진동하는 것으로 나타났으며, 전파 관측 결과 3년의 반응 지연가능성을 시사한다.
• 이중극 모멘트 매개변수 q의 분포는 q=1에 가장 높은 피크를 보이며, 양털 정리를 확인하고 q=0 또는 q=2 모델을 3σ 신뢰도에서 배제하여 일반 상대성 이론이 제3후뉴턴 순서까지 검증됨을 입증한다.