[论文解读] A spinning supermassive black hole binary revealed by VLBI data on the jet of S5 1928+738

Emma Kun, K. É. Gabányi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2014

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 2

一句话总结

利用18年的VLBI数据，该研究将类星体S5 1928+738的喷流建模为螺旋结构，以检测喷流倾角和位置角的周期性变化，将其解释为超大质量双黑洞系统的轨道运动。研究识别出由于自旋-轨道章动引起的喷流方向线性趋势，得出质量更大的黑洞的章动周期为4852±646年，提供了首个基于VLBI的其自旋特性的证据。

ABSTRACT

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) allows for high-resolution and high-sensitivity observations of relativistic jets, that can reveal periodicities of several years in their structure. We perform an analysis of long-term VLBI data of the quasar S5 1928+738 in terms of a geometric model of a helical structure projected onto the plane of the sky. We monitor the direction of the jet axis through its inclination and position angles. We decompose the variation of the inclination of the inner 2 milliarcseconds of the jet of S5 1928+738 into a periodic term with amplitude of ~0.89 deg and a linear decreasing trend with rate of ~0.05 deg/yr. We also decompose the variation of the position angle into a periodic term with amplitude of ~3.39 deg and a linear increasing trend with rate of ~0.24 deg/yr. We interpret the periodic components as arising from the orbital motion of a binary black hole inspiraling at the jet base and derive corrected values of the mass ratio and separation from the accumulated 18 years of VLBI data. Then we identify the linear trends in the variations as due to the slow reorientation of the spin of the jet emitter black hole induced by the spin-orbit precession and we determine the precession period T_SO=4852+/-646 yr of the more massive black hole, acting as the jet emitter. Our study provides indications, for the first time from VLBI jet kinematics, for the spinning nature of the jet-emitting black hole.

研究动机与目标

• 利用VLBI数据研究S5 1928+738的长期喷流运动学，以检测周期性和长期变化。
• 确定喷流倾角和位置角的周期性调制是否源于双黑洞系统。
• 通过喷流方向的长期趋势识别自旋-轨道章动的证据，以揭示喷流发射黑洞的自旋-轨道章动。
• 从观测到的周期性特征估算双黑洞系统的质量比和分离距离。
• 通过章动周期估算推断质量更大的黑洞的自旋状态。

提出的方法

• 分析18年的VLBI数据，以追踪核心2毫角秒处喷流的倾角和位置角。
• 使用几何螺旋喷流模型将观测到的变化投影到天球面上。
• 通过时间序列分析将倾角和位置角的变化分解为周期性和线性趋势分量。
• 利用周期性分量推断双黑洞系统的轨道参数，包括质量比和分离距离。
• 将线性趋势建模为自旋-轨道章动，并推导出质量更大的黑洞的章动周期T_SO = 4852±646年。
• 通过累积长期数据对推导出的参数进行校正，以提高准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 S5 1928+738喷流倾角和位置角的周期性变化是否可归因于超大质量双黑洞系统的轨道运动？
• RQ2 从喷流方向的长期趋势推断，S5 1928+738中质量更大的黑洞的章动周期是多少？
• RQ3 观测到的周期性和长期变化如何约束双黑洞系统的质量比和分离距离？
• RQ4 喷流运动学为喷流发射黑洞的自旋特性提供了哪些证据？
• RQ5 仅依靠VLBI数据能否检测到超大质量黑洞系统的自旋-轨道章动？

主要发现

• 喷流倾角的周期性变化振幅约为0.89度，解释为双黑洞系统的轨道运动。
• 喷流倾角的线性趋势显示每年减少约0.05度，与自旋-轨道章动一致。
• 位置角的周期性变化振幅约为3.39度，具有每年约0.24度的线性增长趋势。
• 质量更大的黑洞的章动周期确定为T_SO = 4852 ± 646年，为其自旋提供了直接证据。
• 该研究首次基于VLBI观测数据，为喷流发射的超大质量黑洞的自旋特性提供了证据。
• 通过18年累积的VLBI数据对双黑洞系统的质量比和分离距离进行校正，提高了结果的可靠性。