A helical jet model for OJ287

Context. OJ287 is a quasar with a quasi-periodic optical light curve, with the periodicity observed for over 120 years. This has lead to a binary black hole model as a common explanation of the quasar. The radio jet of OJ287 has been observed for a shorter time of about 30 years. It has a complicated structure that varies dramatically in a few years time scale. Aims. Here we propose that this structure arises from a helical jet being observed from a small and varying viewing angle. The viewing angle variation is taken to be in tune with the binary orbital motion. Methods. We calculate the effect of the secondary black hole on the inner edge of the accretion disk of the primary using particle simulations. We presume that the axis of the helix is perpendicular to the disk. We then follow the jet motion on its helical path and project the jet to the sky plane. This projection is compared with observations both at mm waves and cm waves. Results. We find that this model reproduces the observations well if the changes in the axis of the conical helix propagate outwards with a relativistic speed of about 0.85c. In particular, this model explains at the same time the long-term optical brightness variations as varying Doppler beaming in a component close to the core, i.e. at parsec scale in real linear distance, while the mm and cm radio jet observations are explained as being due to jet wobble at much larger (100 parsec scale) distances from the core.Comment: 5 pages, 7 figures, to be published in Astronomy & Astrophysic

A geometric approach to non-linear correlations with intrinsic scatter

We propose a new mathematical model for n - k-dimensional non-linear correlations with intrinsic scatter in n-dimensional data. The model is based on Riemannian geometry and is naturally symmetric with respect to the measured variables and invariant under coordinate transformations. We combine the model with a Bayesian approach for estimating the parameters of the correlation relation and the intrinsic scatter. A side benefit of the approach is that censored and truncated data sets and independent, arbitrary measurement errors can be incorporated. We also derive analytic likelihoods for the typical astrophysical use case of linear relations in n-dimensional Euclidean space. We pay particular attention to the case of linear regression in two dimensions and compare our results to existing methods. Finally, we apply our methodology to the well-known MBH-s correlation between the mass of a supermassive black hole in the centre of a galactic bulge and the corresponding bulge velocity dispersion. The main result of our analysis is that the most likely slope of this correlation is similar to 6 for the data sets used, rather than the values in the range of similar to 4-5 typically quoted in the literature for these data.Peer reviewe

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.Siirretty Doriast

Symplektisen integroinnin soveltaminen satelliittien suhteellisten ratojen laskemiseen

Maapalloa kiertävien satelliittien liikkeet toistensa suhteen eli satelliittien suhteelliset radat ovat keskeisessä asemassa satelliittimuodostelmien kannalta. Suhteellisten ratojen ratkaiseminen maapallon potentiaalikentässä on haastava ongelma, johon on kehitetty useita eri lähestymistapoja alkaen Hillin tekemästä matemaattisesta pohjatyöstä vuonna 1878. Eri lähestymistavat voidaan jakaa analyyttisiin ja numeerisiin menetelmiin. Analyyttisissa menetelmissä suhteellisen liikkeen liikeyhtälöt ratkaistaan approksimaatioiden avulla ja saadusta ratkaisuista voidaan suoraan lukea suhteellisen radan kehitys jonkin sopivan ajanluonteisen parametrin funktiona. Numeerisissa menetelmissä ratkaistaan liikeyhtälöt numeerisesti eli sovelletaan ratojen numeerista integrointia. Eräs moderni numeerinen menetelmä on soveltaa symplektisiä integrointimenetelmiä suhteellisen radan ratkaisemiseen. Tämän työn ensimmäisessä osassa kehitetään symplektisten integrointimenetelmien tarvitsema matemaattinen teoria lähtien differentiaaligeometrian alkeista. Teorian sovelluksena saadaan Zassenhausin kaavan avulla johdettua symplektisten leapfrog"-menetelmien lähtökohta. Työn toisessa osassa keskitytään suhteellisten satelliittiratojen ongelmaan. Ensin käsitellään yksittäisen satelliitin liikettä ja suhteellisten ratojen esittämisessä käytetyt koordinaatistot. Sen jälkeen esitellään analyyttiset Hillin--Clohessyn--Wiltshiren, Tschaunerin--Hempelin ja Halsallin--Palmerin suhteelliset ratalaskumenetelmät. Numeerisista menetelmistä tutkitaan S.~Mikkolan kehittämää logaritmisen Hamiltonin funktion menetelmää. Työssä kehitetään algoritmi menetelmän soveltamiseen suhteellisiin ratalaskuihin. Kehitettyä menetelmää verrataan analyyttisiin menetelmiin ja tarkkaan ellipsiratojen erotuksena saatuun suhteelliseen rataan. Vertailun tuloksena havaitaan logaritmisen Hamiltonin funktion menetelmä kehityskelpoiseksi ja huomattavasti analyyttisiä menetelmiä tarkemmaksi.Siirretty Doriast

”Haluamme aloittaa yhteisen elämämme Herran edestä” : Kirkollisen vihkimisen valitsemisen perusteet

Avioliiton suosion laskiessa myös kirkollisen vihkimisen suosio on kokenut laskun. Siviilivihkiminen on noussut viime aikoina entistä suositummaksi ja jopa ohittanut suosiossaan kirkollisen vihkimisen. Samaan aikaan myös kirkosta eroaminen on lisääntynyt jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkin, minkä syiden takia nykyään valitaan kirkollinen avioliittoon vihkiminen, ja mitkä tekijät vihittyjen elämässä ovat vaikuttaneet tämän päätöksen tekemiseen. Tämän laadullisen tutkielman 24 kirjoituksesta koostuva aineisto on kerätty kirjoituspyynnön avulla. Vastaajat ovat 19-42-vuotiaita viime vuosina naimisiin menneitä naisia ja miehiä eri puolilta Suomea. Aineiston analysoinnissa on käytetty kahta eri analyysimetodia. Aineistolähtöisen sisällönanalyysin avulla tutkin, mitä kaikkia syitä kirkollisen vihkimisen valitsemisen taustalla on. Narratiivisen analyysin avulla puolestaan tarkastelin aihetta tarkemmin yksilön näkökulmasta: mitkä tekijät tämän yksittäisen henkilön elämässä ovat vaikuttaneet valinnan tekemiseen? Aineistolähtöisen sisällönanalyysin perusteella syyt valita kirkollinen vihkiminen jakautuivat neljään eri luokkaan. Nämä luokat ovat: 1. Uskonnolliseen vakaumukseen liittyvät syyt, 2. Kulttuuriin ja historiaan liittyvät syyt, 3. Tunteisiin liittyvät syyt ja 4. Sosiaaliset syyt. Aineistosta nousi esille 28 erilaista perustelua. Eniten erilaisia syitä sijoittui luokkiin 3 ja 4, mutta luokasta 1 löytyi suosituin yksittäinen syy, Jumalan siunaus avioliitolle. Narratiivisen analyysin perusteella muodostui neljä erilaista vastaajaryhmää, joita kuvaamaan loin vastaajien yhteisiä piirteitä sisältävät tyyppitarinat. Nämä vastaajaryhmät ovat: 1. Kulttuurin ja perinteiden arvostajat, 2. Jumalan siunausta hakevat, 3. Sosiaalisten syiden kannustamat ja 4. Juhlavuuden ja tunnelman hakijat. Näistä ryhmistä selvästi suurin oli Jumalan siunausta hakevat, johon sijoittui hieman yli puolet tutkielman informanteista. Tutkimustulosteni perusteella syyt valita kirkollinen vihkiminen ovat yllättävän usein uskonnollisia. Lähes kaikkia vastaajia kuitenkin yhdisti päätöksen tekemisen taustalla ollut vahva subjektiivinen pohdinta. Tämän pro gradu -tutkielman tulokset kuvastavat tätä postmodernia, individualistista aikakautta, jossa ihmiset yhä enemmän määrittävät elämänsä ja uskonnollisuutensa subjektiivisuuden kautta

Time-domain behavior of blazar OJ 287 and the binary supermassive black hole conjecture

The proper understanding of blazar variability at the various electromagnetic spectral bands is one goal of multifrequency astrophysics. In this frame a peculiar and controversial phenomenology is the periodicity, postulated for long-term radio or optical flux light curves of about a dozen of blazars. The well-known BL Lac object OJ 287 (PKS 0851+202, S3 0851+20, PG 0851+202, z = 0.306) is not only a high-variable, peculiar, extragalactic source with hints for approximatively cyclical optical outbursts, but it also represents a case of substantial intensive and extensive (long-term) multifrequency observations. This rich database allow us a deeper analysis based on a wide range of variability timescales with some recent results that are highlighted here. © Copyright owned by the author(s).Peer reviewe

Aivovamman saaneiden henkilöiden ja heidän läheistensä kokemukset vammautuneen henkilön kommunikaatiotaitojen muutoksista

Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena oli selvittää kokevatko aivovamman saaneet henkilöt ja heidän läheisensä vammautuneen henkilön kommunikaatiotaitojen muuttuneen aivovamman seurauksena. Tämän lisäksi selvitettiin, millainen mahdollinen muutos on molempien ryhmien sisällä. Tavoitteena oli myös vertailla, eroavatko aivovamman saaneiden henkilöiden sekä heidän läheistensä kokemukset vammautuneen henkilön kommunikaatiotaidoista ennen ja jälkeen vamman ja miten nämä kokemukset mahdollisesti eroavat näiden ryhmien välillä. Tutkittavaa ilmiötä on tarkasteltu kansainvälisesti ja aiheesta on saatu osin ristiriitaisia tutkimustuloksia. Suomessa aihetta on tutkittu vielä verrattain vähän, joten tämä tutkimus tuo uutta ja merkityksellistä tietoa suomalaisten aivovamman saaneiden henkilöiden ja heidän läheistensä kokemuksista vammautuneen henkilön kommunikaatiotaidoista. Tutkimuksen aineisto saatiin Marjaana Raukola-Lindblomin tekeillä olevasta väitöskirjatutkimuksesta. Aineistosta käytettiin La Trobe kommunikaation arviointimenetelmän tuloksia. Menetelmän itse- ja läheisarviolomakkeiden avulla selvitettiin aivovamman saaneiden henkilöiden kommunikaatiotaitoja ennen ja jälkeen vamman. Tämän pro gradu -tutkielman analyyseissa oli mukana 41 vammautunutta henkilöä ja 41 heidän läheistään. Tämän tutkimuksen tulosten mukaan sekä aivovamman saaneet henkilöt että heidän läheisensä kokivat vammautuneiden henkilöiden kommunikaatiotaitojen muuttuneen heikommiksi vammautumisen myötä. Ennen vammaa -arvioiden kohdalla aivovamman saaneiden henkilöiden ja heidän läheistensä kokemusten välillä ei havaittu eroja. Sen sijaan vamman jälkeen -arvioissa vammautuneet henkilöt kokivat kommunikaatiotaitonsa heikommiksi kuin läheiset. Tutkimus osoittaa itse- ja läheisarvioiden merkittävyyden ja luotettavuuden osana kliinistä arviointia. Keskivaikeasta tai vaikeasta aivovammasta huolimatta vammautunut henkilö voi pystyä hyvinkin tunnistamaan kommunikaatiotaidoissaan tapahtuneita muutoksia. Tämän tutkimuksen tulokset ovat sovellettavissa kliinisessä työssä, koska itse- ja läheisarvioiden liittäminen osaksi kokonaisarviointia auttaa ammattilaista luomaan todenmukaisemman kuvan vammautuneen henkilön kommunikaatiotaidoista. Saatujen tulosten avulla voidaan myös entistä paremmin tukea aivovamman saaneita henkilöitä arjen kommunikaatiotilanteissa sekä auttaa läheisiä oman kommunikoinnin kehittämisessä vammautuneen henkilön tarpeita vastaaviksi. Aiheesta tarvitaan kuitenkin lisää suomalaista tutkimustietoa tämän tutkimuksen tulosten rinnalle

Time-domain behavior of blazar OJ 287 and the binary supermassive black hole conjecture

The proper understanding of blazar variability at the various electromagnetic spectral bands is one goal of multifrequency astrophysics. In this frame a peculiar and controversial phenomenology is the periodicity, postulated for long-term radio or optical flux light curves of about a dozen of blazars. The well-known BL Lac object OJ 287 (PKS 0851+202, S3 0851+20, PG 0851+202, z = 0.306) is not only a high-variable, peculiar, extragalactic source with hints for approximatively cyclical optical outbursts, but it also represents a case of substantial intensive and extensive (longterm) multifrequency observations. This rich database allow us a deeper analysis based on a wide range of variability timescales with some recent results that are highlighted here