類星體3C273的多波段光變周期分析*

畢雄偉，和萬全，田家金，張青友，蔡 群

(紅河學(xué)院理學(xué)院，云南 蒙自 661100)

光變是Blazar天體的一個(gè)重要特征，現(xiàn)已觀測(cè)到Blazar天體從射電波段到γ射線波段都存在光變［1－2］。通過研究光變可以獲得Blazar天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理特征等大量信息，包括中心黑洞質(zhì)量和輻射區(qū)域大小等信息［3］。Blazar天體的光變分為短時(shí)標(biāo)光變和中、長(zhǎng)時(shí)標(biāo)的周期性光變，引起不同光變的原因可能不同，為此人們已提出許多理論模型解釋引起不同光變時(shí)標(biāo)的原因，如中心雙黑洞模型、星際閃爍、微引力透鏡模型、激波模型、進(jìn)動(dòng)吸積盤模型等［4－6］。

3C273是一個(gè)較亮的高偏振類星體，也是一個(gè)典型的Blazar天體，紅移量z=0.158。Smith等人在1963年第一次認(rèn)證了3C273為河外射電源，并獲得了3C273的光變曲線［7］。1985年Angione等人［8］收集了3C273 1887～1980共93年的歷史光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并用功率譜方法分析了天體的光變周期，發(fā)現(xiàn)3C273的光變具有周期性。在此后的幾十年中，很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)加入到3C273的研究中，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期多波段的監(jiān)測(cè)，獲得了3C273較完備的觀測(cè)數(shù)據(jù)。例如，F(xiàn)an等人［9］用Jurkevich方法和離散相關(guān)函數(shù)(DCF)方法研究了3C273光學(xué)波段的長(zhǎng)期變化周期，發(fā)現(xiàn)3C273在光學(xué)波段存在2.1、3.64和22.5年的光變周期。Zhang等人［10］研究了3C273的光變周期，發(fā)現(xiàn)其存在10.5年的光變周期。Manchanda等人［11］發(fā)現(xiàn)3C273在光學(xué)波段存在13.5年的光變周期。Wang等人［12－13］研究了3C273在射電、光變波段的變化特征，發(fā)現(xiàn)在22 GHz波段存在7.0和14.7年的周期，在37 GHz波段存在7.2和14.5年的周期。Le等人［14］研究了類星體3C273在近紅外波段的變化特性。Wu等人［15］研究了類星體3C273在X射線波段的光變特性。Türler＆ Soldi等人［16－17］收集了3C273長(zhǎng)期多波段的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，并建立了多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，為人們研究3C273的多波段輻射特性和理論模型提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。Mao＆Liu等人［18－19］研究了類星體3C273在射電、光學(xué)波段的變化特征，發(fā)現(xiàn)3C273在射電、光學(xué)波段都存在周期性光變特性。

為了進(jìn)一步研究類星體3C273的多波段光變特性，本文從大量文獻(xiàn)中收集了3C273在射電、毫米、紅外、光學(xué)、紫外、高能波段的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，用Jurkevich方法和離散相關(guān)函數(shù)方法分析了天體多波段的變化周期，獲得了各波段的光變周期。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)和光變曲線

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

為了研究類星體3C273多波段電磁輻射的變化特征，本文從 Türler＆Soldi等人［16－17］建立的3C273數(shù)據(jù)庫(kù)中收集了射電、毫米、紅外、光學(xué)、紫外和高能波段的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)址為http://isdc.unige.ch/3c273/。在選擇數(shù)據(jù)時(shí)，遵循觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)豐富、觀測(cè)時(shí)間跨度較長(zhǎng)、觀測(cè)時(shí)間分布均勻的原則，選取了7個(gè)具有代表性的電磁波段作為研究對(duì)象，分別是射電8 GHz、37 GHz波段、3.3 mm波段、紅外K波段(2.2μm)、光學(xué)B波段(421.3 nm)、紫外波段(300nm)和高能5 keV波段，觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度從27年至43年不等，數(shù)據(jù)點(diǎn)最多的1 588個(gè)，最少的220個(gè)。7個(gè)波段觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本情況統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 3C273 7個(gè)波段觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics of the data of 3C273 for seven bands

1.2 光變曲線

根據(jù)收集到的各波段長(zhǎng)期歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，作出3C273各波段的光變曲線，如圖1。在圖1中，橫坐標(biāo)是儒略日(JD)，單位是天(days)，縱坐標(biāo)是輻射流量密度，單位為Jy。從圖1可以看出，類星體3C273活動(dòng)非常劇烈，在各個(gè)波段都表現(xiàn)出大幅度的光變現(xiàn)象，其中毫米3.3 mm波段變化幅度達(dá)56.1 Jy，變化幅度是平均值的2.6倍，紫外波段變化幅度是平均值的3.7倍，射電5 GHz波段變化幅度是平均值的1.84倍，由此可知，多波段的大幅度光變是3C273的一個(gè)顯著特征。從光變曲線可以看出，7個(gè)波段的光變曲線都表現(xiàn)出周期性的變化特征，可能存在幾年至十幾年不等的光變周期。為了能準(zhǔn)確尋找3C273 7個(gè)波段的變化周期，需要用專門的周期分析方法對(duì)其進(jìn)行研究，本文主要采用Jurkevich和離散相關(guān)函數(shù)兩種周期分析方法。

2 光變周期分析

2.1 Jurkevich 方法

在天文研究中，用于分析天體光變周期的方法很多，常用的有功率譜方法、離散相關(guān)函數(shù)、Jurkevich方法、結(jié)構(gòu)函數(shù)、小波分析、周期圖譜分析等多種方法［20－25］。因天文觀測(cè)的特殊性，經(jīng)常受到天氣、天象、望遠(yuǎn)鏡工作狀態(tài)等多種因素的影響，天文觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些不連續(xù)、有間隔的情況，這給尋找天體的準(zhǔn)確光變周期帶來了一些困難［20］。盡管周期分析的方法有很多種，但每一種周期分析方法在某些方面有自己的優(yōu)點(diǎn)，而在其他方面也存在一些不足之處。目前，常用的周期分析方法有Jurkevich方法、小波分析方法和功率譜方法等，而Jurkevich方法是目前公認(rèn)的比較適合計(jì)算天體光變周期的方法之一［25］。

圖1 3C273 7個(gè)波段的光變曲線Fig.1 The light curves of seven bands of 3C273

Jurkevich方法是由Jurkevich I.在1971年針對(duì)天文觀測(cè)中非均勻性觀測(cè)的問題提出的，它是基于均方偏差為期望值的統(tǒng)計(jì)分析方法，Jurkevich方法的原理見文獻(xiàn)［26－27］。Kidger等人［28］在Jurkevich的基礎(chǔ)上發(fā)展了Jurkevich周期分析方法，并給出了判斷周期的方法，即f檢驗(yàn)方法，周期判據(jù)公式為:

用Jurkevich方法分別計(jì)算了3C273在射電、毫米、紅外、光學(xué)、紫外和高能等7個(gè)波段的光變周期，獲得3C273 7個(gè)波段的總方差與試驗(yàn)周期P的值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出總方差與試驗(yàn)周期P的關(guān)系圖，結(jié)果如圖2。

用以上同樣的分析方法，可以得出各波段可能存在的變化周期。各波段周期計(jì)算結(jié)果為:在射電37 GHz波段可能存在約8.25年的變化周期;在毫米波段可能存在4.42和8.49年的變化周期;在紅外K波段可能存在2.29和4.58年的變化周期;在光學(xué)B波段可能存在1.82、2.74、3.87和11.28年的變化周期;在紫外波段可能存在2.05、8.72和10.92年的變化周期;在高能5 keV波段可能存在0.98、1.98、3.86和4.97年的變化周期。7個(gè)波段的周期計(jì)算結(jié)果見表2中的第2列。

圖2 3C273 7個(gè)波段的總方差和試驗(yàn)周期P關(guān)系圖Fig.2 The plots of vs.P(trial Period)for the 3C273 light curves in seven bands

2.2 離散相關(guān)函數(shù)方法

離散相關(guān)函數(shù)方法是由Edelson等人［29］首次引入用于研究具有時(shí)延的時(shí)間序列的相關(guān)性分析，此后，很多學(xué)者［9，12，30］用此方法研究天體多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲問題。離散相關(guān)函數(shù)方法除了可以用于研究時(shí)延外，還可以用于研究具有單一時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化周期，即用離散相關(guān)函數(shù)方法可以計(jì)算天體的光變周期，離散相關(guān)函數(shù)方法的原理可以參見文獻(xiàn)［3，29，31］。為了進(jìn)一步驗(yàn)證3C273的多波段變化周期，本文用離散相關(guān)函數(shù)方法分析了3C273 7個(gè)波段的光變周期，計(jì)算結(jié)果如圖3，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)延，單位是天(days)，縱坐標(biāo)是離散相關(guān)函數(shù)值，圖中離散相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)延就是可能存在的變化周期，根據(jù)離散相關(guān)函數(shù)的峰值可以估算天體各波段的變化周期。

根據(jù)圖3中各波段的離散相關(guān)函數(shù)圖，得到各波段可能存在的周期結(jié)果為:在射電8 GHz波段可能存在8.65年的變化周期;在射電37 GHz波段可能存在7.92年的變化周期;在3.3 mm波段可能存在4.87和8.52年的變化周期;在紅外K波段可能存在2.25和4.65年的變化周期;在光學(xué)B波段可能存在1.57、2.85、4.62 和11.38 年的變化周期; 在紫外波段可能存在 1.82、8.21 和10.83 年的變化周期;在高能5 keV波段可能存在0.95、2.00、3.98和4.91年的變化周期。7個(gè)波段的變化周期結(jié)果見表2中第3列。

2.3 兩種方法的周期計(jì)算結(jié)果

用Jurkevich方法、離散相關(guān)函數(shù)方法計(jì)算3C273 7個(gè)波段的光變周期結(jié)果見表2。從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，類星體3C273在選取的7個(gè)波段都表現(xiàn)出很強(qiáng)的周期性變化特征，存在從0.98年至11.38年不等的變化周期，在毫米、紅外、光學(xué)、紫外和高能波段還存在多個(gè)周期成分。另外，通過對(duì)比Jurkevich方法、離散相關(guān)函數(shù)方法得到的結(jié)果可以看出，兩種方法計(jì)算7個(gè)波段得到的變化周期結(jié)果非常一致，即兩種方法計(jì)算的結(jié)果是非?？煽康摹?/p>

圖3 用離散相關(guān)函數(shù)方法計(jì)算3C273 7個(gè)波段的光變周期圖Fig.3 The DCF plots of the light curves of 3C273

表2 Jurkevich方法和離散相關(guān)函數(shù)方法計(jì)算光變周期的結(jié)果Table2 The results of light-variation periods of 3C273 from Jurkevich’s method and the DCF method

3 結(jié)論和討論

根據(jù)上述兩種周期分析方法的結(jié)果可以看出，類星體3C273在所有電磁波段上均表現(xiàn)出周期性的變化特征。綜合兩種周期分析方法的計(jì)算結(jié)果，各波段的周期計(jì)算結(jié)果如下:

在射電8 GHz和37 GHz波段，分別存在8.39年和8.08年的變化周期。該結(jié)果與Zhang等人［32］用小波分析方法計(jì)算射電15 GHz波段得到8.10年的結(jié)果，以及Fan等人［33］用功率譜方法計(jì)算4.8 GHz、8 GHz和14.5 GHz得到8.8年、8.3年和8.2年的周期非常相近。這進(jìn)一步說明了本文所用Jurkevich方法和離散相關(guān)函數(shù)方法計(jì)算得到的周期結(jié)果是可靠的，同時(shí)證明了3C273在射電波段存在8.0年左右的固有周期成分。在毫米波段存在4.65年和8.50年的兩個(gè)變化周期，其中8.49年的周期近似是4.42年周期的倍數(shù)，因此在毫米波段可能存在4.65年的固有周期成分。

在紅外波段存在2.27年和4.62年的變化周期，從數(shù)值上看4.62年近似是2.27年的倍數(shù)，因此在紅外波段可能存在2.0年的固有周期成分。在光學(xué)波段存在1.69、2.79、4.24和11.33年4個(gè)不同的周期成分，這些周期成分與Fan等人［9］和Wang等人［12］得到的結(jié)果基本一致，綜合分析現(xiàn)有的周期計(jì)算結(jié)果，在光學(xué)波段3C273可能存在2.0、11.0年左右的固有周期成分。在紫外波段存在1.93、8.46和10.87年的變化周期，紫外波段的變化周期與光學(xué)波段的變化周期基本一致，可能存在2.0、11.0年左右的固有周期成分。在高能5 keV波段發(fā)現(xiàn)了0.97、1.99、3.82和4.94年的4個(gè)周期成分，其中1.0年的周期成分可能是高能波段的固有周期成分。

綜合上述的分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)3C273在所研究的電磁波段范圍內(nèi)輻射流量都表現(xiàn)出周期性變化的特征，變化周期從0.98至11.38年不等，甚至可能還存在更長(zhǎng)的變化周期;(2)用Jurkevich方法、離散相關(guān)函數(shù)方法計(jì)算3C273 7個(gè)波段的變化周期得到的結(jié)果非常一致，說明兩種方法得到的周期結(jié)果是可靠的;(3)從周期分析結(jié)果可以看出，3C273在射電和毫米波段可能存在8.0年左右的固有周期成分，在紅外、光學(xué)和紫外波段可能存在2.0年和11.0年左右的固有周期成分，在高能波段可能存在1.0年左右的固有周期成分。

根據(jù)以上結(jié)論，類星體3C273在射電、毫米、紅外、光學(xué)、紫外和高能波段存在不同的光變周期成分，這說明了引起不同波段光變的內(nèi)部物理機(jī)制可能不同，不同的輻射波段可能來自不同的輻射區(qū)域。在射電和毫米波段存在非常相似的光變周期特征，這說明兩個(gè)波段的光變現(xiàn)象起源于相同的物理機(jī)制。Soldi＆Türler等人［17，34］的研究結(jié)果認(rèn)為類星體3C273在射電和毫米波段的光變現(xiàn)象來自于沿著噴流方向傳播的激波同步加速頻閃，本文的研究結(jié)果進(jìn)一步支持了Türler等人的研究結(jié)果，即引起射電和毫米波段光變的原因是來自沿著噴流方向加速傳播的激波不穩(wěn)定造成的。在光學(xué)、紅外和紫外波段存在相同的光變周期成分，說明在這些波段可能有相同的輻射機(jī)制。Soldi等人［17］認(rèn)為光學(xué)波段的輻射來自于噴流中相對(duì)論電子的同步加速輻射，而高能X射線輻射可能來自于同步加速輻射產(chǎn)生的高能電子與光子碰撞形成的同步自康普頓散射，或者也可能是來自噴流外部的高能電子與光子碰撞形成的外康普頓散射。引起類星體光變的原因很多，包括天體的內(nèi)部因素和外部因素，本文的研究結(jié)果表明，引起天體光變的原因可能來自天體的內(nèi)部機(jī)制，即用激波加速模型(shock-in-jet模型)能較好地解釋引起3C273多波段光變的原因。

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