Application of slingshot model to the giant radio galaxy DA240 (Brief : DA 240 in slingshot model)

Application of slingshot model to the giant radio galaxy DA240 
(Brief : DA 240 in slingshot model) 
by 
S. Muthumeenal & Dilip G Banhatti@ 
@[dilip.g.banhatti@gmail.com] 
School of Physics, Madurai Kamaraj University, Madurai 625021, India 
 
Abstract  /  Summary.  We  attempt  a  slingshot  model  interpretation  of  the  unusual 
association  of  some  1&1/3  dozen  nonstellar  galaxian  objects  around  the  parent  optical 
galaxy of the giant radio galaxy DA 240 (= 0748.6+55.8 (J2000)). Similar  interpretation may 
be possible for another large radio galaxy 3C 31 (= NGC 383 = 0104.6+32.1 (1950.0)). 
Keywords. active galaxy – radio galaxy – beam model – slingshot model 
Motivation. Spectroscopic observations of most of the 32 optical objects brighter than about 
16 mag within  half  a  degree  of DA  240  parent  galaxy  have  been  reported  by  Peng  et  al 
(2004). Sixteen objects  show nearly  the  same  redshift as  the DA 240 parent  (z = 0.0358). 
Most  of  the  others  have  lower  redshifts,  and  are  probably  outlying members  of  Zwicky 
cluster  Zw  0756.1+5616.  The  objects with  nearly  DA  240  redshift  show  significant  radio 
emission, are mostly along DA 240 radio major axis, and their redshifts systematically vary 
along this axis, implying dynamical time scale of 1 Gyr. Interpretation within beam model of 
active  galaxies  runs  into problems on  several  counts, while  the unusual  features of  these 
observations fit quite naturally into slingshot model. 
Beam and slingshot models for active galaxies. In beam model (e.g., Begelman et al 1984 & 
references  therein)  the central  ‘engine’ harbours a deep gravitational potential  (possibly a 
supermassive spinning black hole) which generates twin oppositely directed magnetoplasma 
beams or  jets  along  the black hole  accretion disk  spin  axis,  travelling with  at  least mildly 
relativistic bulk speed. The observed structures in active galaxies and their nuclei arises from 
the  interaction  of  these  hydromagnetic  jets  progressively  with  the  surrounding  nuclear, 
interstellar  and  intergalactic  /  intracluster  media.  The  highly  relativistic  magnetoplasma 
particles emit mainly nonthermal radiation in the entrained magnetic field. This synchrotron 
radiation  is  observed  in  different  polarizations  and  from  x‐ray  to  radio  part  of  the 
electromagnetic  radiation  spectrum,  but  mainly  in  radio.  (See  e.g.,  Banhatti  1998  & 
references  therein.)  A  double  radio  galaxy  emits  predominantly  radio  energy  from  two 
elongated regions called radio lobes, one on each of two sides of the optical parent galaxian 
object. Bulk  supersonic  speeds of  the  twin  jets  through  the  surrounding medium  leads  to 
shocks creating radio hotspots, especially at radio lobe ends. 
In  slingshot model  (Saslaw et al 1974)  the densely populated  supermassive active galactic 
nucleus  ejects  two  or more massive  objects  or  black  holes  in  two  diametrically  opposite 
directions due to gravitational dynamical  instability. The black hole trajectories are seen as 
jets and  lobes. The black holes may escape from the supermassive galaxian nucleus or may 
oscillate relative the nucleus. (See, e.g., Banhatti 1998 & references therein.) 

Basic differences between beam and  slingshot models  :  (1)  In  slingshot model  the ejected 
black  holes move  substantially, while  beam model  has  a  single  black  hole  (or  possibly  a 
binary) more or  less  stationary  at  the nucleus.  (2)  In  the  twin beam model  the  source of 
energy  remains  in  the  active  galactic  nucleus  of  the  (extended)  radio  galaxy,  the  energy 
being transported continuously to the  lobes, which can be very far away from the nucleus, 
while in slingshot model the sources of energy are massive black hole accretion disk systems 
which move  within  the  lobes  as  they  locally  emit  synchrotron  energy,  so  that  no  long 
distance energy transport is needed in this ‘dressed slingshot’ (Lin & Saslaw 1977). 
Slingshot model details and application to some radio galaxies. This section briefly presents 
some  relevant  details  of  slingshot model  and  its  application  to  some  radio  galaxies.  The 
literature used for this survey: Valtonen (1979, 1999), Valtonen & Heggie (1978), Bridle et al 
(1989), Mikkola & Valtonen  (1990), Borcherds & McCauley  (1993), Valtonen  et  al  (1994), 
Valtonen & Heinämäki (2000).  In slingshot model supermassive black holes are thrown out 
from an active galaxian nucleus (AGN) via the gravitational 3‐body process. Conserving linear 
momentum,  a  single  black  hole  escapes  in  one  direction  and  a  binary  in  the  opposite 
direction, each producing radio emission along  its trajectory. Numerically  integrating orbits 
in the model AG(N) potential and fitting simple functions through the computed points one 
gets 
(r / r0 ) = (2.89 – 2.4 ((t/t0 ) – 1)
2)1/2 – 0.7 ,      0 < (t / t0 ) < 2 
where r is the distance from the AGN, and  
r0 = 0.85 {1‐ (Ve/Vesc)
 2}‐5/3 (M/(3 x 1012 M�)) Kpc, 
t0 = 0.75 (r0/Kpc)
 1.3 (M/(3 x 1012 M�))
‐0.25 Myr. 
M is the AGN mass and M� is the solar mass. The escape velocity is 
Vesc = 3110 (M/(3 x 10
12 M�))
 0.25 km/s 
These expressions are within 10% of numerically calculated orbits for 0.8 ≤  (Ve/Vesc) < 1. Different 
radio sources modeled in slingshot theory include 3C 465, 3C 83.1B, 3C 288, 3C 277.3, 3C 388, Cen A, 
3C 390.3, 3C 405, 3C 219, 3C 129 and 3C 274. The dynamical time scales needed are 10 Myr to 1 Gyr. 
Schematic orbits are shown as  line diagrams. Convolution with appropriate emission function gives 
radio brightness distribution. (See the references listed earlier.) 
Beam  and  slingshot models  for  double  radio  sources.  In  beam  theory  large  scale  jets  represent 
particle flow channels, while in slingshot model they are trails left behind by the outgoing black hole 
and  its backward pointing beam. Trails are pressure confined and essentially stationary, while  flow 
channels are seen as dynamic entities. 
The  frequency of detecting  jets and counter‐jets  in double  radio galaxies and quasars goes against 
the simplest versions of beam model, while it can be readily explained in slingshot model. 
Jets which do not originate from the galactic nucleus (e. g., 3C 338) are problematic in beam model 
but are expected in slingshot model.  

  
 
 
 
 
 
 

  

Double hotspots in radio lobes sometimes present a problem in beam theory, especially when there 
are indications of current particle acceleration in both hotspots.  In slingshot model double hotspots 
are a standard feature.   
The alignment of hotspots across the nucleus of the galaxy is good in view of the jets and the off‐axis 
positions of the hotspots. This gives a strong indication that hotspots are the primary movers and jets 
are only secondary phenomena. This is so in slingshot model but not in beam model.  
The advantage of slingshot model  is  that  it  is an  integral part of  the general body of astrophysical 
theory which describes the merger‐evolution of galaxies in cosmological setting. Therefore, it is fully 
calculable and results may be directly compared with observations. 
DA 240 features which call for slingshot model.  
(1)The nonstellar galaxian objects along DA 240 radio major axis must be interpreted in beam model 
as members of the same group of galaxies as the DA 240 parent. Polarization observations of DA 240 
lobes  imply number density n  ≈ 10‐5  /cc which  is  too  low  for galaxy  formation.  In  slingshot model 
these massive objects have been flung out from the DA 240 AGN, and are at different points of the 
orbit(s), so can be in any region, of high or low density. 
(2)Both DA 240  lobes have roughly symmetrically placed hotspots, but they are very asymmetric  in 
strength, the eastern one about 50 times brighter than  its western counterpart. The reason for this 
brightness  contrast  is  unclear  in  beam model.  In  slingshot  theory  the  hotspots  are  dressed  black 
holes  (Lin & Saslaw 1977),  symmetrically placed due  to  linear momentum balance, with  their own 
twin‐jet systems that may have very different synchrotron emissivities. 
(3)Of the 16 nonstellar galaxian objects with redshifts similar to DA 240 parent, 10 are aligned along 
the  radio  lobes  while  6  lie  along  roughly  orthogonal  axis.  In  beam  theory  there  is  no  direct 
connection between this grouping and the radio galaxy jets or beams. In slingshot theory there is an 
orbital plane with  concentration near  the AGN,  and due  to orbital  instability, massive objects  are 
ejected  in a narrow cone normal to and on both sides of the central flat nuclear concentration. For 
such a scenario for DA 240, the 6 objects / galaxies that lie in directions roughly normal to the double 
radio  source axis  should be by  far  the more massive  component of  the  total mass of  the DA 240 
group. Perhaps this can be verified by future spectroscopic mass estimates. 
(4)Monte Carlo simulations show  that  the chance  that 17 objects are aligned as observed  is about 
3×10‐4,  indicating  a  causal  connection, mysterious  in  beam model,  but  quite  natural  in  slingshot 
mechanism. A stable dynamical axis over  time scale much  longer  than synchrotron emission age  is 
also consistent with slingshot model. 
(5)Projecting onto  the  radio major axis  the  location of each of 11 objects on or near  the axis, and 
plotting the redshift difference relative to the median as Δv vs the distance D along the axis gives a 
correlation of slope Δv/D ≈ 425 km/s/Mpc, with correlation coefficient ‐0.74 (Peng et al 2004). This 
calls  for  an  explanation,  not  naturally  possible  in  beam  theory,  but maybe  possible  in  slingshot 
model. 
Acknowledgements.  The work  reported  here  formed  part  of  S. Muthumeenal’s M.Phil.  project  in 
2007. DGB thanks UGC, New Delhi for financial support.