[论文解读] Implications of a possible 23 day periodicity for binary black hole models in Mkn~501

Frank Rieger, K. Mannheim|arXiv (Cornell University)|May 24, 2000

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出，Mkn 501在TeV和X射线波段观测到的23天周期性变化，源于双黑洞系统中质量较小的黑洞所喷出的相对论性喷流的轨道运动。通过考虑相对论性束状辐射引起的多普勒频移调制，该模型推导出其本征轨道周期为6–14年，质心间距为2.0–3.5×10¹⁶ cm，主星质量≤10⁸ M☉，次星质量≈(4–42)×10⁶ M☉，与合并星体情景一致。

ABSTRACT

We investigate the implications of a massive binary system in the centre of the gamma-ray blazar Mkn~501 and show that the periodical behaviour recently observed in the TeV and X-ray lightcurves may possibly be related to the orbital motion of the relativistic jet emerging from the less massive black hole. For the special relativistic jet properties inferred from emission models, we derive an intrinsic orbital period of $(6-14)$ yrs and a centre-of-mass distance of $(2.0-3.5) imes 10^{16}$ cm. If the binary is very close with a separation of the order of that for which gravitational radiation becomes dominant, we find a maximum primary mass of $\sim 10^8 M_{\sun}$ and a corresponding secondary mass in the range of $\sim (4-42) imes 10^6 M_{\sun}$ depending on the intrinsic jet properties. Such values are in line with the black hole masses expected from merger scenarios.

研究动机与目标

• 探究Mkn 501的TeV和X射线光 light curves 中观测到的23天周期性是否可由双黑洞系统中的轨道运动解释。
• 确定与观测调制一致的本征轨道参数（周期、间距）及黑洞质量。
• 评估推导出的参数与星系合并情景中已知黑洞质量的一致性。
• 评估相对论性束状辐射和喷流准直在产生观测到的通量调制中的作用。
• 检查喷流进动或其他效应是否会随时间掩盖或改变周期性信号。

提出的方法

• 将观测到的通量调制建模为来自双星轨道中质量较小黑洞所喷出的喷流的相对论性束状辐射。
• 应用开普勒第三定律，将轨道间距和总质量与本征轨道频率关联：$\Omega_k = \sqrt{G(m+M)}/d^{3/2}$。
• 利用多普勒增强效应，将观测到的23天周期与本征轨道周期关联，引入整体洛伦兹因子$\gamma$和视线倾角$i$。
• 推导出为与VLBI观测一致，所需喷流传播长度$l_z \simeq 11–26$ pc，投影长度$l_p \simeq 1.4–2.1$ mas。
• 考虑喷流准直约束，要求本征张角<0.05°，与磁化喷流模型和双流体喷流结构一致。
• 评估额外辐射成分（如软X射线或光学）对观测调制深度和通量比的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mkn 501的TeV和X射线辐射中观测到的23天周期性是否可由双黑洞系统中相对论性喷流的轨道运动解释？
• RQ2 通过相对论性束状辐射产生观测到的23天调制，所需的本征轨道周期和间距是多少？
• RQ3 在喷流起源于质量较小组分的假设下，与观测周期性和多普勒调制一致的黑洞质量范围是什么？
• RQ4 喷流准直和多组分喷流结构如何影响周期性调制的可探测性和振幅？
• RQ5 喷流进动或其他长期效应是否会随时间改变观测到的周期性，以及这将如何影响模型的预测？

主要发现

• 双星系统的本征轨道周期被限制在6–14年之间，这是基于观测到的23天周期性经多普勒频移调制的结果。
• 质心间距估计为$2.0–3.5 \times 10^{16}$ cm，与引力辐射可能占主导地位的紧密双星系统一致。
• 主黑洞质量被限制在$\sim 10^8\,M_\odot$，次星质量范围为$\sim (4–42) \times 10^6\,M_\odot$，具体取决于喷流特性。
• 所需的喷流准直极为紧密，本征张角小于$0.05^\circ$，与磁化、双流体喷流模型一致。
• 观测到的周期性可能在距核心约3 mas处终止，此时喷流发生弯曲，提示喷流结构或辐射区域特性发生变化。
• 该模型预测，最大与最小通量之间的TeV通量比约为8，X射线通量比约为5–7，与BeppoSAX和RXTE观测结果一致。