[论文解读] The 2005 - 2010 multiwavelength campaign of OJ287

M. J. Valtonen, Aimo Sillanpää|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文报告了对类星体OJ287在2005年至2010年期间的多波段观测结果，通过精确的爆发时间与光谱特征，证实其为双黑洞系统。2005年10月和2007年9月观测到的光学爆发与广义相对论进动模型的预测完全吻合，辐射机制为轫致辐射且为非偏振辐射，验证了该模型在二阶后牛顿近似（2PN）阶次下的有效性，并通过测试参数 q ≈ 1 确认了无毛定理。

ABSTRACT

The light curve of quasar OJ287 extends from 1891 up today without major gaps. This is partly due to extensive studies of historical plate archives by Rene Hudec and associates, and partly due to several observing campaigns in recent times. Here we summarize the results of the 2005 - 2010 observing campaign, in which several hundred scientists and amateur astronomers took part. 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. At the same time, 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. (2) The nature of the radiation of the 2005 October outburst was expected to be bremsstrahlung from hot gas at a temperature of 3 10^5 degrees 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 the observations (about 6 hours), it started at the correct time. Due to the bremsstrahlung nature of the outburst, the radiation was unpolarized, as expected. (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 is expected to rotate in the sky by a large angle, which has been confirmed. The OJ287 binary black hole system is currently our best laboratory for testing theories of gravitation. Using OJ287, the correctness of General Relativity has now been demonstrated up to the second Post-Newtonian order, higher than has been possible using binary pulsars.

研究动机与目标

• 将OJ287的双黑洞模型与单黑洞模型及非相对论性双星模型进行对比检验。
• 通过观测光学爆发的时间，验证该系统中广义相对论进动的预测。
• 利用多波段及偏振数据，确定爆发的辐射机制。
• 通过轨道动力学检验广义相对论中的无毛定理及高阶后牛顿项。

提出的方法

• 将系统建模为具有相对论进动的双黑洞系统，利用历史光曲线约束轨道解。
• 基于12年轨道周期与相对论进动，预测爆发时间，实现小时级的高精度定时。
• 分析多波段数据（光学、紫外、X射线、射电），通过光谱与偏振特性识别辐射机制。
• 利用XMM-Newton X射线观测确认2005年爆发期间约3×10⁵ K温度下的轫致辐射。
• 在运动方程中引入测试参数 q 以评估对广义相对论的偏离，广义相对论中 q=1。
• 利用分辨率为毫秒级的毫秒波长射电喷流数据，约束喷流方向与吸积盘摆动动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 2005年10月的爆发是否出现在广义相对论进动模型预测的时间内？若采用其他模型，是否会预测延迟一年？
• RQ2 2005年爆发的辐射是偏振还是非偏振？该特性是否支持轫致辐射或同步辐射起源？
• RQ3 2007年9月的爆发时间能否以小于一天的精度预测？是否与进动双星模型一致？
• RQ4 2007至2009年间观测到的同步辐射爆发是否遵循在轫致辐射事件之后的预测序列？
• RQ5 轨道解中测试参数 q 的取值是多少？该结果是否在二阶后牛顿近似阶次下确认广义相对论？

主要发现

• 2005年10月的爆发在预测时间的1周内发生，证实了广义相对论进动，排除了无进动双星与具有盘振荡的单黑洞模型。
• 2005年爆发表现出非偏振辐射，与约3×10⁵ K温度下的轫致辐射一致，该结论得到XMM-Newton X射线观测的证实。
• 2007年9月13日爆发的开始时间与预测值相差不超过6小时，与进动双星模型的预测精度与哈雷彗星预测相当。
• 2007年10月至2009年12月期间的后续同步辐射爆发按计划出现，支持了该模型的预测能力。
• 到2009年，毫秒波长喷流显示出可测量的旋转，与次级黑洞对吸积盘的扰动一致。
• 无毛定理的测试参数 q 在轨道解中达到峰值 q=1，在4σ水平上排除了 q=0（无自旋-轨道耦合）与 q=2（物质体）的可能性，证实广义相对论在高于1.5PN阶次的精度下成立。