[论文解读] OJ 287 binary black hole system

Mauri Valtonen, Ciprini, Stefano|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

该论文提供了强有力的观测证据，表明OJ 287是一个由广义相对论支配的双黑洞系统，2005年10月的爆发恰好在广义相对论进动预测的时间发生——这证实了该模型，并否定了单黑洞或非进动双黑洞的其他理论。这一时间点，加上后续的爆发和喷流摆动，证实了广义相对论可精确到第三后牛顿阶次。

ABSTRACT

The light curve of the quasar OJ 287 extends from 1891 up today without major gaps. Here we summarize the results of the 2005 - 2010 observing campaign. The main results are the following: (1) The 2005 October optical outburst came at the expected time, thus confirming the general relativistic precession in the binary black hole system. This result disproved the model of a single black hole system with accretion disk oscillations, as well as several toy models of binaries without relativistic precession. In the latter models the main outburst would have been a year later. (2) The nature of the radiation of the 2005 October outburst was expected to be bremsstrahlung from hot gas at the temperature of $3 imes 10^{5}$ $^{\circ}$K. This was confirmed by combined ground based and ultraviolet observations using the XMM-Newton X-ray telescope. (3) A secondary outburst of the same nature was expected at 2007 September 13. Within the accuracy of observations (about 6 hours), it started at the correct time. Thus the prediction was accurate at the same level as the prediction of the return of Halley's comet in 1986. (4) Further synchrotron outbursts were expected following the two bremsstrahlung outbursts. They came as scheduled between 2007 October and 2009 December. (5) Due to the effect of the secondary on the overall direction of the jet, the parsec scale jet was expected to rotate in the sky by a large angle around and after 2009. This rotation may have been seen at high frequency radio observations. OJ 287 binary black hole system is currently our best laboratory for testing theories of gravitation. Using OJ 287, the correctness of General Relativity has now been demonstrated at higher order than has been possible using the binary pulsars.

研究动机与目标

• 将进动双黑洞模型与OJ 287周期性爆发的其他解释进行对比。
• 确定观测到的爆发是否与广义相对论（特别是相对论进动）的预测一致。
• 研究爆发期间辐射的性质以及喷流方向的长期演化。
• 通过测量主黑洞的四极矩来检验无毛定理。
• 确立OJ 287作为测试双脉冲星之外引力理论的高精度实验室。

提出的方法

• 利用2005–2010年间的多波段观测活动，涵盖光学、紫外和射电波段，参与科学家与业余天文学家达数百人。
• 应用Sillanpää等人（1988）和Sundelius等人（1997）的相对论进动模型，基于轨道动力学与吸积盘扰动预测爆发时间。
• 使用轫致辐射模型预测2005年爆发的热辐射特性，并与XMM-Newton的紫外/X射线观测结果对比。
• 分析喷流的偏振度与位置角数据，检测由伴星引力影响引起的摆动。
• 通过9次爆发的轨道拟合计算四极矩参数q，以检验无毛定理。
• 对可行轨道解中q值的统计分析，评估q=1（黑洞）与q>2（非黑洞）模型的置信度。

实验结果

研究问题

• RQ1 2005年10月的爆发是否发生在广义相对论进动预测的时间？
• RQ2 2005年爆发期间的辐射是否与进动双黑洞模型预测的非偏振轫致辐射一致？
• RQ3 后续爆发（包括2007年9月13日的事件）是否以预测的时间与性质发生？
• RQ4 在秒差距尺度上观测到的喷流是否表现出与科扎伊循环及吸积盘进动一致的摆动？
• RQ5 四极矩参数q是否能以足够精度测量，以确认主黑洞的无毛定理（q=1）？

主要发现

• 2005年10月的爆发发生在2005.76，与预测时间2005.74相差不到1周，证实了相对论进动，并排除了非进动模型的可能性。
• 2007年9月13日的二次爆发在预测时间的6小时内开始，其精度与1986年哈雷彗星预测相当。
• XMM-Newton观测证实2005年爆发的辐射为温度约3×10⁵ K的轫致辐射，与进动双黑洞模型一致。
• 后续的同步辐射爆发发生于2007年10月至2009年12月之间，与潮汐驱动机制的预测相符。
• 秒差距尺度喷流显示出与科扎伊循环及吸积盘进动一致的摆动迹象，射电观测表明响应延迟约3年。
• 四极矩参数q的分布峰值位于q=1，证实了无毛定理，并在3σ置信水平下否定了q=0或q=2的模型，广义相对论在第三后牛顿阶次内得到验证。