兩類BL Lac天體和FSRQs之間的關(guān)系*

徐云冰， 易庭豐

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650092)

1 引 言

Blazar天體是最活躍的活動星系核之一，包括BL Lac天體和FSRQs兩類，對其特性已有大量研究報道[1-5].BL Lac天體和FSRQs的主要區(qū)別是BL Lac天體沒有或只有弱的發(fā)射線，而FSRQs具有強的發(fā)射線[6].根據(jù)輻射峰值頻率的不同，BL Lac天體又分為高能峰BL Lac天體(HBLs)和低能峰BL Lac天體(LBLs)[7].Blazar天體各子類HBLs、LBLs和FSRQs之間的關(guān)系是活動星系核的基本問題之一[8].研究Blazar天體各子類之間的關(guān)系能夠促進(jìn)對Blazar天體本質(zhì)的理解.

人們對HBLs、LBLs和FSRQs之間的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一些有意義的成果.Sambruna等人發(fā)現(xiàn)HBLs和FSRQs在寬波段雙色圖αxox-αro圖中占據(jù)不同的區(qū)域，LBLs位于HBLs和FSRQs之間，起著橋梁的作用[9].Fossati等人和Ghisellini等人分別發(fā)現(xiàn)不同的Blazar天體之間遵循從FSRQs到LBLs再到HBLs的譜序列，它們的熱光度依次減小，而且，它們的同步輻射和逆康普頓散射產(chǎn)生的γ射線的峰值頻率向高頻移動，不同的Blazar天體子類之間存在一個統(tǒng)一的圖景[10-11].B?ttcher等人通過研究熱光度和吸積率證實了Blazar天體的譜序列[12].謝光中等對雙色圖的研究結(jié)果支持了Blazar天體的譜序列和統(tǒng)一圖景[13].毛李勝等發(fā)現(xiàn)HBLs與LBLs和FSRQs有很大不同，LBLs與FSRQs沒有顯著不同[14].李懷珍等人發(fā)現(xiàn)HBLs、LBLs和FSRQs具有不同的譜性質(zhì)，LBLs是HBLs和FSRQs的中間態(tài)[15].Ghiselline等人根據(jù)費米樣本發(fā)現(xiàn)BL Lac和FSRQs在αγ-Lγ中明顯分開，而且Blazar天體遵循了Blazar天體的譜序列[16].Foschini等人對15個伽馬射線噪的AGNs(其中包括13個Blazar天體)的X射線與光學(xué)、紫外波段同時觀測時發(fā)現(xiàn)這些源都遵循典型的Blazar譜序列[17].但是，Padovani等人基于Deep X-ray Radio Blazar Survey和All-Sky Survey-Green Bank Survey兩個巡天樣本得到的結(jié)果不支持Fossati等人提出的譜序列[18].Giommi等人研究Sedentary Survey的樣本發(fā)現(xiàn)該樣本也不支持有Blazar天體的譜序列[19].

本文收集了109個Blazar天體(HBLs 51個，LBLs 40個，F(xiàn)SRQs 18個)[20-22]的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，利用恒星彌散速度法[23]和短時標(biāo)光變法[24]計算了所收集數(shù)據(jù)樣本的黑洞質(zhì)量，分別統(tǒng)計了該樣本的黑洞質(zhì)量、熱光度、吸積率和紅移四個物理參數(shù)，并討論了吸積率與熱光度、黑洞質(zhì)量與熱光度之間的關(guān)系.

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 恒星彌散速度法

中心黑洞質(zhì)量和恒星彌散速度之間的經(jīng)驗公式為[23]：

2.2 短時標(biāo)光變法

短時標(biāo)光變法計算黑洞質(zhì)量的公式為[19]：

2.3 愛丁頓吸積率

根據(jù)吸積盤模型[25]，愛丁頓比等于熱光度與愛丁頓光度之比:

3 統(tǒng)計分析

3.1 黑洞質(zhì)量分布

圖1 黑洞質(zhì)量分布 圖2 熱光度分布

從圖1可知：HBLs、LBLs和FSRQs的黑洞質(zhì)量分布范圍很接近，但是LBLs的分布范圍較大.它們的平均值分別為8.34、8.38和8.46，F(xiàn)SRQs的黑洞質(zhì)量較大，LBLs的黑洞質(zhì)量次之，HBLs的黑洞質(zhì)量最?。黄浞逯祻腍BLs到FSRQs逐漸往右移動，但現(xiàn)象并不明顯，可能暗示了黑洞質(zhì)量不是導(dǎo)致HBLs、LBLs和FSRQs性質(zhì)不同的主要原因，這與其他人的研究結(jié)果一致[26-27].

3.2 熱光度分布

熱光度是理解blazar內(nèi)稟屬性的重要參數(shù).從圖2可知：HBLs、LBLs和FSRQs的熱光度分布有差異，它們的平均值分別為44.03、45.58和47.71，F(xiàn)SRQs的熱光度最大，LBLs的熱光度次之，HBLs的熱光度最??；其峰值從HBLs到FSRQs逐漸往右移動，LBLs的熱光度介于HBLs和FSRQs之間，并且LBLs的熱光度與HBLs和FSRQs的熱光度都有交叉，表明LBLs可能是從FSRQs到HBLs的中間態(tài).

3.3 愛丁頓吸積率分布

圖3 愛丁頓吸積率分布 圖4 紅移分布

吸積率是最能夠說明演化的參數(shù)[28].從圖3可知：HBLs、LBLs和FSRQs的愛丁頓吸積率分布范圍差異較大，它們的愛丁頓吸積率平均值分別為0.007、0.104和0.699，F(xiàn)SRQs的愛丁頓吸積率平均值最大，HBLs的愛丁頓吸積率最小，LBLs的愛丁頓吸積率介于兩者之間；其峰值從HBLs到FSRQs逐漸往右移動，LBLs的吸積率介于HBLs和FSRQs之間，并且LBLs的吸積率與HBLs和FSRQs的吸積率都有交叉，進(jìn)一步表明LBLs可能是從FSRQs到HBLs的中間態(tài).

3.4 紅移分布

從圖4可知：HBLs、LBLs和FSRQs的紅移分布也有不同，它們的平均值分別為0.23、0.37和1.07，HBLs的紅移最小，F(xiàn)SRQs的紅移，LBLs的紅移介于HBLs和FSRQs之間；其峰值從HBLs到FSRQs逐漸往右移動，表明FSRQs處于演化的早期階段，HBLs處于晚期階段，LBLs是FSRQs和HBLs的過渡階段.

3.5 吸積率和熱光度的關(guān)系

圖5 愛丁頓吸積率和熱光度 圖6 黑洞質(zhì)量和熱光度

從圖5可知：HBLs、LBLs和FSRsQ的吸積率和熱光度是不同的，F(xiàn)SRQs具有較高的吸積率和熱光度，HBLs的吸積率和熱光度最小，LBLs的吸積率和熱光度介于兩者之間.FSRQs和LBLs的吸積率與熱光度之間都具有強相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.89和0.74，HBLs的吸積率和熱光度之間沒有相關(guān)性.HBLs、LBLs和FSRQs的吸積率與熱光度的線性回歸分析結(jié)果見表1.結(jié)果表明：FSRQs出現(xiàn)于演化的較早階段，活動較為激烈，在它們的中心區(qū)域有濃密的氣體和塵埃，從而產(chǎn)生發(fā)射線，并具有較大的吸積率和熱光度，隨著氣體和塵埃的逐漸耗盡，吸積率和熱光度逐漸減小，發(fā)射線亦逐漸變?nèi)跎踔料?，F(xiàn)SRQs演化為HBLs.

表1 線性回歸分析結(jié)果

注：A和B分別是回歸方程Y=A+BX的截距和斜率，r是相關(guān)系數(shù)，P是置信度水平，SD是回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)偏差，N是樣品個數(shù).

3.6 黑洞質(zhì)量和熱光度的關(guān)系

從圖6可知：FSRQs占據(jù)了高光度區(qū)，HBLs占據(jù)了低光度區(qū)，LBLs占據(jù)FSRQs和HBLs之間的區(qū)域；FSRQs的黑洞質(zhì)量分布范圍是107.7～109.3M⊙,LBLs的黑洞質(zhì)量分布范圍是107.1～109.8M⊙,LBLs的黑洞質(zhì)量范圍是107.4～109.3M⊙.HBLs、LBLs和FSRQs的黑洞質(zhì)量和熱光度之間都沒有相關(guān)性，表明熱光度的觀測值必須進(jìn)行多普勒效應(yīng)修正.BL Lac天體主要通過中心超大質(zhì)量黑洞經(jīng)由Blandford-Znajek機制汲取轉(zhuǎn)動能而提供能量，而FSRQs主要通過中心黑洞的吸積提供能量，隨著FSRQs周圍的氣體和塵埃的逐步耗盡，吸積率減小，天體很可能從開始以吸積供能為主的黑洞轉(zhuǎn)變?yōu)楹髞硪訠Z機制汲取能量為主的Kerr黑洞[29].

4 討論和結(jié)論

HBLs、LBLs和FSRQs的黑洞質(zhì)量、熱光度、吸積率和紅移的分布都表明LBLs是blazar天體從FSRQs到HBLs的中間態(tài)；Blazar天體三個子類的黑洞質(zhì)量分布差別不大，黑洞質(zhì)量可能不是造成從FSRQs經(jīng)LBLs演化到HBLs的主要因素；吸積率和熱光度之間的關(guān)系表明吸積率在演化過程中起著主要作用；黑洞質(zhì)量和熱光度之間彌散很大，黑洞質(zhì)量不是演化的主要原因，熱光度需要進(jìn)行多普勒矯正.

Georganopoulos等人認(rèn)為LBLs和HBLs之間的差別是視角和內(nèi)稟光度的選擇效應(yīng)造成[30].Sambruna等人發(fā)現(xiàn)，HBLs的峰值頻率高于FSRQs，當(dāng)然也高于作為橋梁的LBLs，均勻和非均勻的噴流模型不能解釋這種能譜分布的差異，blazar能譜分布形狀的觀測結(jié)果不能只從視角這個單一因素出發(fā)來解釋[9].因此，對LBLs和HBLs之間差別的解釋，除了考慮視角效應(yīng)外，另一個重要的因素應(yīng)該是多普勒因子.由于LBLs是介于FSRQs和HBLs的中間態(tài)，所以輕子模型的結(jié)果是否也預(yù)示著是活動星系核黑洞周圍的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和強度的不同造成了不同的表現(xiàn)形式，而不是簡單地認(rèn)為是噴流的夾角造成了不同的分類[31].

外部輻射場的輻射是決定blazar天體HBLs、LBLs和FSRQs處于不同類型的根本因素，HBLs具有最弱外部輻射場(沒有或有弱發(fā)射線)和最低內(nèi)稟光度，在SSC和EC模型中，冷卻過程較長，粒子具有足夠高的能量通過同步輻射產(chǎn)生軟X射線波段的輻射并通過康普頓過程產(chǎn)生TeV能區(qū)的高能γ輻射，其康普頓過程貢獻(xiàn)較小；LBLs的內(nèi)稟光度比HBLs大，外輻射場決定了冷卻過程，較強的冷卻過程決定了同步輻射和逆康普頓輻射成分的峰值位于較低能段，分別位于光學(xué)和GeVγ射線波段，康普頓過程貢獻(xiàn)較大；FSRQs代表最高光度的一類blazar天體，外部輻射場的貢獻(xiàn)最大，在這類天體中SSC的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略，最主要的輻射是γ射線輻射.

綜上所述，得到如下結(jié)果：(1)Blazar天體三個子類之間存在一個從FSRQs經(jīng)LBLs到HBLs的演化序列；(2)影響blazar天體三個子類之間演化序列的主要因素是愛丁頓吸積率而不是黑洞質(zhì)量；(3)blazar天體三個子類的熱光度需要進(jìn)行多普勒效應(yīng)改正，F(xiàn)SRQs和BL Lac天體汲取能量的方式不同.

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