[论文解读] Discovery of the Onset of Rapid Accretion by a Dormant Massive Black Hole

D. N. Burrows, F. E. Marshall+54 more|Apr 25, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 45被引用 246

一句话总结

该论文报告了首次探测到一个休眠大质量黑洞在星体潮汐撕裂事件中产生相对论喷流的起始，该事件被识别为X射线暂现源Swift J1644+57，极有可能源于恒星的潮汐撕裂。该事件表现出极高的亮度、快速的光变以及磁能主导的喷流，其洛伦兹因子Γ ≲ 20，为在原本静默的黑洞系统中发生超爱丁顿吸积时喷流形成提供了直接证据。

ABSTRACT

Massive black holes are believed to reside at the centres of most galaxies. They can be- come detectable by accretion of matter, either continuously from a large gas reservoir or impulsively from the tidal disruption of a passing star, and conversion of the gravitational energy of the infalling matter to light. Continuous accretion drives Active Galactic Nuclei (AGN), which are known to be variable but have never been observed to turn on or off. Tidal disruption of stars by dormant massive black holes has been inferred indirectly but the on- set of a tidal disruption event has never been observed. Here we report the first discovery of the onset of a relativistic accretion-powered jet in the new extragalactic transient, Swift J164449.3+573451. The behaviour of this new source differs from both theoretical models of tidal disruption events and observations of the jet-dominated AGN known as blazars. These differences may stem from transient effects associated with the onset of a powerful jet. Such an event in the massive black hole at the centre of our Milky Way galaxy could strongly ionize the upper atmosphere of the Earth, if beamed towards us.

研究动机与目标

• 确定河外暂现源Swift J1644+57的起源，该源表现为一个明亮且可变的X射线和伽马射线源。
• 确定该暂现源是否源于恒星的潮汐撕裂事件，或源于休眠黑洞系统中活动星系核（AGN）活动的启动。
• 约束喷流的物理特性，包括其洛伦兹因子、能量预算及辐射机制。
• 估算此类事件的全天球发生率，并与潮汐撕裂和AGN启动的理论模型进行比较。
• 评估若此类事件发生在银河系中心黑洞Sgr A*中并朝向地球喷流时，可能对地球造成的影响。

提出的方法

• 利用Swift BAT、XRT和EVLA的多波段观测，定位并追踪Sw J1644+57的X射线和射电光变。
• 分析不同通量状态下的X射线能谱分布，采用幂律模型及包含同步辐射和逆康普顿辐射组分的更复杂模型进行拟合。
• 结合Fermi和VERITAS的伽马射线上限，通过喷流中γ-γ吸收推断喷流的集体洛伦兹因子（Γ ≲ 20）。
• 将喷流建模为磁能主导且粒子匮乏的系统，与观测到的光学发射极弱以及将吸积能量高效转化为相对论喷流的特性一致。
• 利用红移限制体积和星系密度估算全天球事件率，将观测到的事件率（R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹）与潮汐撕裂（10⁴ yr⁻¹）和AGN启动（3 yr⁻¹）的理论预测进行比较。
• 评估此类事件在Sgr A*位于银河系中心的背景下，其喷流方向恰好朝向地球的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了Swift J1644+57中原本休眠的大质量黑洞突然产生相对论喷流？
• RQ2 观测到的辐射是否与恒星潮汐撕裂事件或休眠黑洞中AGN活动的启动一致？
• RQ3 喷流的物理特性是什么，包括其洛伦兹因子、能量预算及辐射机制？
• RQ4 观测到的事件率与潮汐撕裂和AGN启动的理论预测相比如何？
• RQ5 若Sgr A*产生类似喷流并朝向地球喷射，会对地球的大气层和环境造成何种影响？

主要发现

• 暂现源Sw J1644+57于2011年3月25日首次由Swift BAT探测到，峰值通量约为~0.09 cts cm⁻² s⁻¹，并于2011年3月28日被触发。
• X射线通量在两周内从~5×10⁻⁹ erg cm⁻² s⁻¹衰减至~1.5×10⁻¹⁰ erg cm⁻² s⁻¹，期间出现陡峭的凹陷，最低降至<3×10⁻¹¹ erg cm⁻² s⁻¹。
• X射线能谱从幂律谱演化而来，光子指数Γ ≈ 1.3–1.8，表明其为硬谱，与相对论喷流发射一致。
• 喷流为磁能主导且粒子匮乏，由光学发射极弱及所需电子密度较低所支持。
• 由于Fermi和VERITAS的伽马射线上限，结合喷流中γ-γ吸收效应，喷流的集体洛伦兹因子被限制在Γ ≲ 20（假设≈10）。
• 此类事件的全天球发生率估算为R₄ₚ ≈ 1 yr⁻¹（90%置信区间：0.08–3.9 yr⁻¹），与潮汐撕裂或AGN启动过程中喷流形成的理论模型一致。