[论文解读] 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 2

一句话总结

该论文提出，2015年快速3C 279伽马射线耀发源于一个中等质量黑洞（≈10² M⊙）的并合，其喷流在潮汐力矩作用下与活动星系核（AGN）主喷流对齐，形成双喷流类星体系统，从而产生短 timescale 变化。该对齐过程由最终螺旋并合阶段的自旋-自旋潮汐力矩驱动，解释了与AGN大史瓦西时标明显不符的亚5分钟变化。

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.

研究动机与目标

• 解释2015年6月3C 279 AGN耀发中极快（亚5分钟）伽马射线变异性起源。
• 解决在具有十亿倍太阳质量黑洞的系统中出现如此短时标变异性的问题，其预期动力学时标长出几个数量级。
• 研究并合中等质量黑洞（≈10² M⊙）是否可通过喷流对齐和束射效应产生观测到的耀发。
• 探讨潮汐力矩和自旋-自旋相互作用在将次级黑洞喷流与主AGN喷流对齐中的作用。
• 评估此类罕见、对齐的双黑洞并合事件中，引力波与伽马射线信号相关联并被未来望远镜探测到的可能性。

提出的方法

• 模拟3C 279中约10² M⊙的中等质量黑洞向中心AGN黑洞（≈3–8×10⁸ M⊙）最终螺旋并合的过程。
• 应用广义相对论潮汐力矩理论（自旋-自旋相互作用）描述AGN喷流如何通过引力和黏性力拖拽并使次级黑洞喷流对齐。
• 采用最初为伽马射暴（GRBs）开发的进动喷流模型，通过光束聚焦和轴向对齐解释观测到的快速变异性。
• 估算对齐时标（≈10⁶–10⁷ s），由最终轨道阶段的黏性与引力阻力引起，与耀发持续时间一致。
• 评估此类对齐双喷流的束射概率与探测性，考虑其极窄张角（γ⁻¹ ≈ 10⁻⁴）和相对论性增强效应。
• 将观测到的耀发亮度（≈10⁴⁹ erg s⁻¹）和时标（≈300 s）与准直喷流辐射的理论预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 2015年3C 279耀发中的亚5分钟变异性能否由并合中等质量黑洞的喷流解释？
• RQ2 何种物理机制可在如此短时标内将次级黑洞喷流与主AGN喷流对齐？
• RQ3 AGN的潮汐力矩是否足以在最终螺旋并合阶段强制实现次级喷流的自旋对齐与准直化？
• RQ4 此类双喷流对齐事件发生并被观测为短时、明亮伽马射线耀发的概率是多少？
• RQ5 该情景是否能产生未来望远镜可探测到的相关电磁与引力波信号？

主要发现

• 2015年3C 279伽马射线耀发的变异性时标约为300秒（5分钟），与该大质量黑洞AGN的典型变异性时标（~10⁴ s）明显不符。
• 观测到的耀发亮度达到~10⁴⁹ erg s⁻¹，接近典型伽马射暴（GRB）的各向同性亮度，表明存在高度束射、相对论性喷流。
• 所提出的机制涉及AGN引力场产生的潮汐力矩，在最终螺旋并合阶段将约100 M⊙黑洞的喷流与主AGN喷流对齐。
• 对齐由自旋-自旋相互作用与黏性阻力驱动，特征对齐时标约为10⁶–10⁷秒，与耀发持续时间一致。
• 当双喷流系统与地球对齐时，产生联合的、高度束射的辐射，可解释观测到的快速变异性与极端亮度。
• 此类罕见对齐事件发生的概率较低，但该模型为耀发异常时标与亮度提供了合理解释，有待进一步的X射线与伽马射线监测验证。