BL Lac天體ON 231的光變周期研究*

徐云冰，張 雄，李孝攀，董富通

(1.云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，昆明 650092；2.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012)

ON 231是活動(dòng)激烈的BL Lac天體，天體的周期性光變現(xiàn)象可以給出天體內(nèi)部的一些參數(shù)，進(jìn)而可以研究其內(nèi)部物理機(jī)制[1]。因此，人們對(duì)ON 231周期性的研究具有濃厚興趣，很多人已經(jīng)對(duì)其光變周期進(jìn)行了研究并取得了很多成果。1987年，Xie等人發(fā)現(xiàn)了約6天的周期[2]，這一結(jié)果與OJ 287不存在幾天短時(shí)標(biāo)光變的結(jié)果不一致[3]；1988年，Barbieri等人用Deeming(1975)使用的功率譜分析方法沒有發(fā)現(xiàn)ON 231有明顯的周期[4-5]；1995年，Liu F K等人找到了ON 231有(0.981±0.005)年、(13.6±1.3)年的周期[3]；1998年，Zhang等人找到了(13.6±1.3)年、(26.6±0.8)年的周期[1]。但是，由于ON 231內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且活動(dòng)劇烈，其光變曲線也很復(fù)雜，另外，由于觀測手段和天氣等因素的限制，目前還沒有很完備的長期樣本數(shù)據(jù)庫，因此，對(duì)ON 231周期性的明確認(rèn)證總體來說還比較困難，其長周期光變有可能大于現(xiàn)有的觀測歷史，有待于進(jìn)一步監(jiān)測認(rèn)證[1]。

本文主要利用Jurkevich方法[6]和小波分析法[7-8]研究了ON 231的歷史光變資料中可能存在的周期。

1 ON 231的光變周期性分析

1.1 ON 231的光變曲線

ON 231的測光資料來源于文獻(xiàn)[4，9-29]，共收集了1374個(gè)B波段觀測數(shù)據(jù)，獲得了其天平均歷史光變曲線如圖1。從光變曲線可以看出天體活動(dòng)十分劇烈，在1998年最亮?xí)r達(dá)mB=13.1mag，1984年最暗時(shí)達(dá)mB=17.80mag，在近110多年的觀測中出現(xiàn)過多次大的爆發(fā)，從天平均的歷史光變曲線很難看出明顯的周期變化。

1.2 ON 231周期性分析

ON 231的觀測資料表明它內(nèi)部確實(shí)存在劇烈變化。它的長期光變周期一直沒有最后確認(rèn)，觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多次大的爆發(fā)結(jié)果。從這些結(jié)果可以看出，它有可能存在光變的周期性，有許多人用多種方法研究周期性,但由于計(jì)算方法的缺陷和觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性差,確定的周期均未被觀測驗(yàn)證,選用小波分析法研究其周期性,用Jurkevich方法進(jìn)行比較,獲得了較好的結(jié)果。當(dāng)然，它的實(shí)際周期也有可能大于現(xiàn)有的觀測資料[1]。

圖1 ON 231 1898～2005年天平均的歷史光變曲線

1.2.1 Jurkevich方法

如果f≥0.5，則表明樣本數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的周期性；如果f<0.25，則表明樣本數(shù)據(jù)可能有弱的周期性；如果f=0，則表明樣本數(shù)據(jù)沒有周期性。

圖2 用圖1中的數(shù)據(jù)由Jurkevich方法尋找ON 231周期結(jié)果

1.2.2 小波分析法

小波分析法[7-8]是為了克服Fourier分析的不足而發(fā)展起來的，F(xiàn)ourier分析反映的是信號(hào)的整體特征，但不能刻畫信號(hào)的局部特性。小波分析法是一種時(shí)頻分析方法[31]，既能在時(shí)域很好地刻畫信號(hào)的局部性，同時(shí)也能在頻域反映信號(hào)的局部性。它的基本思想是通過小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，從而突出信號(hào)的局部特征。該方法已廣泛應(yīng)用于地震勘探、氣象學(xué)等方面的周期性研究。

選用Morlet小波：ψ(t)=e-t2/2eiωt，容許性條件要求ω≥5。根據(jù)Morlet小波尺度因子a與周期T之間的關(guān)系[32]：

取ω=6.2，則周期T≈a。利用離散小波變換求出小波系數(shù)，然后給出小波系數(shù)的實(shí)部等值線圖，等值線的變化即可反映出所分析數(shù)據(jù)在小波域中的波動(dòng)情況。對(duì)時(shí)間域上的尺度因子a積分得到小波方差，再畫出小波方差圖。通過該圖可以對(duì)一些復(fù)雜的非線性過程進(jìn)行解釋，從而確定其中的主要周期。

ON 231 1962年以前的數(shù)據(jù)點(diǎn)很少，只取了1962年以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了平滑觀測誤差，對(duì)該時(shí)間段中的數(shù)據(jù)進(jìn)行30天平均，再利用線性插值的方法對(duì)不等間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充[8]，以消除邊界效應(yīng)。圖3給出了ON 231 1962～2005年B波段數(shù)據(jù)小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖。圖中顯示星等值在小波域中高低起伏的變換情況，即反映了ON 231在時(shí)間域上的總體光變過程。

圖3 ON 231 B波段數(shù)據(jù)小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖

從圖中等值線的變化可以看出在周期尺度T=4000～6000天之間和T=7500～10500天之間存在明顯的周期性。為了確定其中的主要周期,作出其變換系數(shù)的小波方差圖如圖4。

圖4 變換系數(shù)的小波方差圖

從圖4可以看出，在T=4940天和T=9520天處達(dá)到極大值，說明這兩個(gè)值就是分析信號(hào)中含有的周期。T=4940天(13.5年),T=9520天(26.1年)與Liu F K等人[3]、Zhang等人[1]26.6±0.8年的結(jié)果基本一致。

1.3 中心黑洞質(zhì)量估計(jì)

2 討 論

作者認(rèn)為，時(shí)標(biāo)為幾年的光變特性可能是由于通常在活動(dòng)星系核中心區(qū)黑洞周圍的吸積盤不穩(wěn)定所致，特別是薄盤的熱不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致爆發(fā)式振蕩[36]；雙黑洞模型不是解釋BL Lac天體長周期光變最理想的模型,長周期爆發(fā)不可能完全起源于雙黑洞[1]。

3 結(jié) 論

綜上所述，ON 231具有0.978年、4940天(13.5年)和9520天(26.1年)的周期。其中T=0.978年與Liu F K等人[3]的0.981±0.005年一致；T=13.5年和T=26.1年，與Liu F K等人[3]、Zhang等人[1]的13.6±1.3年和26.6±0.8年的結(jié)果一致。

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