[論文レビュー] Fast 3C 279 gamma flares by a merging medium size black hole jet aligned to the AGN one by tidal torque?

Daniele Fargion, P. Oliva|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、2015年の速い3C 279γ線フレアが、約10² M⊙の中質量ブラックホール（BH）が合体し、そのジェットがAGNの主ジェットと一致するように潮汐的トルクによって整列したことに起因すると提案している。この整列により、短時間スケールの変動を示す二重ブラザー（twin-blazar）システムが形成され、その結果として短い時間スケールの変動が生じた。この整列は、最終的なスパイラルイン段階におけるスピン-スピン潮汐的トルクによって駆動され、AGNの巨大なシュバルツシルト時標（Schwarzschild timescale）とは一致しない5分未満の変動を説明する。

ABSTRACT

The shorter-than-Schwarzschild 3C 279 variability flare on June 2015 is very puzzling. Its nature cannot be due to any NS merging nor to a medium sized (hundred million solar mass) BH collapse. Our preliminary model is based on the long-life (a third of a year) merging of a medium size BH (hundred of solar mass) jet spiralling toward the largest AGN one, (billion solar mass), that is dragging by tidal torques the medium small size BH jet along the main AGN 3C 279 one. The tidal torque is aligning both jets toward Earth. The twin overlapping blazars may offer at once a long and a short scale variability consistent with the surprising Fermi discovers.

研究の動機と目的

• 2015年6月に発生した3C 279 AGNのフレアにおける極めて速い（5分未満）γ線変動の起源を説明すること。
• 10⁹ M⊙のブラックホールを有する系で、その期待される動的時標が桁違いに長いにもかかわらず、このような短い時標の変動が観測されるというパズルを解明すること。
• 合体中の中質量ブラックホール（≈10² M⊙）がジェットの整列とビーミングによって観測されたフレアを生成できるかどうかを調査すること。
• スピン-スピン相互作用が、二次的ブラックホールジェットを主AGNジェットと整列させるにあたり果たす役割を調査すること。
• このような稀な、整列した二重ブラックホール合体から、将来の観測機器で検出可能な相関する重力波とγ線信号が得られるかどうかを評価すること。

提案手法

• 3C 279の中心AGNブラックホール（≈3–8×10⁸ M⊙）に近づく中質量ブラックホール（≈10² M⊙）の最終スパイラルインをモデル化する。
• 一般相対性理論に基づく潮汐的トルク理論（スピン-スピン相互作用）を適用し、AGNジェットが重力的および粘性的力によって二次的BHジェットを引きずり、整列させる仕組みを記述する。
• 最初にガンマ線バースト（GRB）のための開発された、前後するジェットモデルを用い、ビームの集束と軸上整列によって観測された速い変動を説明する。
• 最終軌道における粘性的および重力的抵抗の結果、整列の時標（≈10⁶–10⁷ s）を推定し、フレア持続時間と整合するようにする。
• 狭い開口角（γ⁻¹ ≈ 10⁻⁴）と相対論的ブースティングを考慮した場合の、このような整列した二重ジェットのビーミング確率と検出可能性を評価する。
• 集光されたジェット放射からの理論的期待値と比較して、観測されたフレアの全放射度（≈10⁴⁹ erg s⁻¹）と時標（≈300 s）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2015年の3C 279フレアにおける5分未満の変動は、合体中の中質量BHからのジェットによって説明可能か？
• RQ2 このような短い時標で、二次的ブラックホールジェットを主AGNジェットと整列させる物理的メカニズムは何か？
• RQ3 AGNの重力場からの潮汐的トルクが、最終スパイラルイン段階で二次的ジェットのスピン整列とコリメーションを強制的に引き起こすのに十分か？
• RQ4 このような二重ジェット整列が発生し、地球から短時間で明るいγ線フレアとして観測される確率はどの程度か？
• RQ5 この状況は、将来の観測機器で検出可能な相関する電磁波と重力波信号を生成できるか？

主な発見

• 2015年の3C 279γ線フレアは、約300秒（5分）の変動時標を示しており、その質量の大きなブラックホールでは標準的なAGN変動時標（~10⁴ s）とは一致しない。
• 観測されたフレアの放射度は~10⁴⁹ erg s⁻¹に達しており、通常のガンマ線バースト（GRB）の等方的放射度に近いことから、非常にビーミングされた相対論的ジェットであると示唆される。
• 提案されるメカニズムは、AGNの重力場からの潮汐的トルクが、約100 M⊙のブラックホールのジェットを、最終スパイラルイン段階で主AGNジェットと整列させることに起因する。
• 整列はスピン-スピン相互作用と粘性抵抗によって駆動され、特徴的な整列時標は~10⁶–10⁷秒であり、フレアの持続時間と整合する。
• 地球に整列した二重ジェット系は、組み合わせて非常にビーミングされた放射を生成し、観測された速い変動と極めて明るい輝度を説明できる。
• このような稀で整列した出来事が発生する確率は低いが、本モデルはフレアの異常な時標と放射度を説明する妥当な説明を提示しており、今後のX線およびγ線モニタリングに依存する。