[论文解读] An eclipsing binary black hole candidate system in the blazar Mrk 421

E. Benítez, J. I. Cabrera+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，类星体Mrk 421可能包含一个候选的食双超大质量黑洞系统，其在光学、硬X射线和伽马射线波段均检测到310 ± 1天的周期性。通过无爆发光 light curves 和最大似然食模型分析，发现食期间亮度增强136.4%，解释为大质量伴星引起的引力透镜效应，且食持续时间仅占轨道周期的9.7%。

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.

研究动机与目标

• 研究类星体Mrk 421在多波段中的周期性变异性，尤其在无爆发事件的情况下。
• 确定观测到的周期性是否源于中心引擎的内在过程，还是外部动力学效应。
• 检验超大质量黑洞伴星引起周期性食变并产生引力透镜效应的假设。
• 使用广义食函数对光 light curve 进行建模，以推断持续时间、深度和亮度增强等物理参数。
• 在不规则采样、可变的光 light curve 中区分自组织的闪烁噪声与相干周期性信号。

提出的方法

• 通过去除光学、硬X射线和γ射线波段中高于3-σ噪声水平的流量，构建无爆发光 light curves。
• 对不规则采样数据应用R包RobPer进行模型无关的周期图分析，以检测周期性。
• 对X射线光 light curve 进行全最大似然拟合，采用广义食模型以估计频率、相位、持续时间和食分数。
• 利用食分数参数推断信号的物理本质，负值表示由于引力透镜效应导致的亮度增强。
• 将X射线光 light curve 按310天周期折叠，以可视化周期调制并验证食模型。
• 比较活跃状态（含爆发）与无爆发状态的噪声特性，以排除闪烁噪声作为周期性来源的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在排除爆发事件后，Mrk 421的多波段光 light curve 中是否存在一致的、非随机的周期性信号？
• RQ2 观测到的周期性是否可归因于轨道食变等动力学过程，如超大质量黑洞伴星的掩食？
• RQ3 光 light curve 是否在食期间表现出亮度增强，与大质量伴星引起的引力透镜效应一致？
• RQ4 该周期性信号是否独立于中心引擎的内在闪烁噪声或自组织变异性？
• RQ5 从食模型中可约束哪些物理参数，如轨道周期、食持续时间及亮度增强？

主要发现

• 在Mrk 421的无爆发状态下，光学、硬X射线和γ射线波段中均检测到稳健的310 ± 1天周期性。
• 无爆发状态的功率谱表现出布朗噪声行为，表明其为相干的非随机过程，与活跃状态中观测到的闪烁噪声不同。
• 最大似然食模型拟合得到负的食分数-9.7%，对应食期间136.4%的亮度增强。
• 食持续时间极短，仅占轨道周期的9.7%，与致密且大质量的天体引起的引力透镜效应一致。
• 该信号最合理的解释是动力学食机制，而非内部变异性，因为周期性在无爆发状态下更为清晰。
• 最佳拟合食模型中未呈现正弦形状，强调在不规则采样数据中使用通用周期函数进行周期图分析的必要性。