BL Lac天體 3C 66A的光變周期分析

方婷， 梁繼華， 李文紅， 李懷珍

(1.玉溪師范學(xué)院 物理系，云南 玉溪 653100；2.宿州市第三中學(xué)，安徽 宿州 234000)

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BL Lac天體 3C 66A的光變周期分析

方婷1， 梁繼華2， 李文紅1， 李懷珍1

(1.玉溪師范學(xué)院 物理系，云南 玉溪 653100；2.宿州市第三中學(xué)，安徽 宿州 234000)

收集了BL Lac天體3C 66A在γ射線波段的歷史光變數(shù)據(jù)，并利用功率密度譜方法和Jurkevich方法對(duì)其光變曲線進(jìn)行周期性分析，所得結(jié)果顯示在3C 66A的γ射線光變曲線中存在約216.9 d的光變周期，該結(jié)果能被螺旋噴流模型很好的解釋.

3C 66A;光變周期;螺旋噴流模型

3C 66A是一個(gè)低頻峰BL Lac天體(Low frequency peaked BL Lac object，LBLs)，它的紅移z=0.444[1].1993年OJ-94項(xiàng)目開始對(duì)3C 66A的光學(xué)光變進(jìn)行觀測(cè)，此時(shí)正值該天體大約4年爆發(fā)的開始[2].另外，WEBT(Whole Earth Blazar Telescope)項(xiàng)目在2003-2004以及2007-2008年期間對(duì)該天體進(jìn)行了多波段監(jiān)測(cè)[3-4].王翠梅和鄭永剛利用3C 66A的高能輻射探測(cè)器觀測(cè)結(jié)果對(duì)其紅移進(jìn)行限制[5].3C 66A是一個(gè)非?；钴S的天體，其在紅外、光學(xué)、紫外以及X射線波段都存在不同時(shí)標(biāo)的變化.謝光中等人對(duì)3C 66A進(jìn)行過長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，1985年他們發(fā)現(xiàn)3C 66A在R波段在43分鐘內(nèi)變暗了0.46個(gè)星等，接著又在63分鐘內(nèi)變亮了0.45個(gè)星等；1988年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該天體B波段在27分鐘內(nèi)變暗了0.45個(gè)星等，接著在56分鐘內(nèi)變亮了0.48個(gè)星等，1989年發(fā)現(xiàn)其在10分鐘內(nèi)變暗了0.52個(gè)星等；1996年10月，又發(fā)現(xiàn)3C 66A的V波段的亮度在87分鐘內(nèi)下降了0.5個(gè)星等[6-9].Fan和Lin[10]分析了3C 66A的歷史光學(xué)光變曲線，發(fā)現(xiàn)其最大光變幅度△V=2.75星等.Bottcher等人在2007-2008年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)3C 66A在各個(gè)光學(xué)波段之間(UBVRI)光變是同步的[4].1998至2000年期間，Sagar等人也對(duì)3C 66A進(jìn)行監(jiān)測(cè)，多次發(fā)現(xiàn)其存在快速光變現(xiàn)象[11].2000至2001年，戴本忠等人觀測(cè)發(fā)現(xiàn)該天體在B波段和V波段都存在快速光變現(xiàn)象[12].Ghosh等人及Bottcher等人分別在1997年年底和2003-2004年在B波段及R波段發(fā)現(xiàn)3C 66A存在快速光變現(xiàn)象[3,13].Lainela等人發(fā)現(xiàn)3C 66A在高態(tài)時(shí)具有大約65天的光變周期[14].Belokon和 Babadzhanyants分析了3C 66A在1974到1991年間的光學(xué)光變曲線，發(fā)現(xiàn)該天體在光學(xué)波段存在2.5年的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)周期性光變[2].Zhovtan等人分析了3C 66A的光學(xué)、X射線(2-10 keV)和γ射線在1996到2009年期間的光變，發(fā)現(xiàn)該天體在三個(gè)波段的光變存在相關(guān)性[15].王備戰(zhàn)等人研究發(fā)現(xiàn)3C 66A的光學(xué)譜指數(shù)與輻射流量之間存在反相關(guān)[16].

為了進(jìn)一步研究3C 66A的光變特性，理解其中心結(jié)構(gòu)和輻射機(jī)制，收集了它在γ射線波段的光變數(shù)據(jù)，并利用兩種不同的周期分析方法對(duì)其光變進(jìn)行周期性分析.

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及光變曲線

從費(fèi)米官網(wǎng)收集了費(fèi)米伽瑪空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)3C 66A在γ射線觀測(cè)的光變數(shù)據(jù)，詳情見圖1，數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度是從2009年到2014年約5.5年的時(shí)間，共244個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).從圖1可以看出3C 66A是一個(gè)非?；钴S的天體.另外，光變指數(shù)

圖1 BL Lac天體3C 66A在γ射線波段的變化曲線

可以用來表征相對(duì)輻射流量的變化，它由下式定義[17]

(1)

其中Fmax和Fmin分別表示樣本數(shù)據(jù)中的最大流量和最小流量.根據(jù)公式(1)可以得到3C 66A在在γ射線的光變指數(shù)Vγ=0.973，這也說明3C 66A是一顆非?；钴S的天體.

2 周期分析

2.1 功率密度譜方法

(2)

式中

(3)

圖2 功率密度譜方法對(duì)3C 66A的γ射線光變曲線的分析結(jié)果

2.2 Jurkevich方法

為了驗(yàn)證功率密度譜方法所得結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步用Jurkevich方法[20]分析3C 66A在γ射線波段的光變曲線.Jurkevich 方法是1971年Jurkevich基于天文觀測(cè)中的非均勻觀測(cè)數(shù)據(jù)而提出的一種周期分析方法，它建立在均方偏差(mean square deviation)的期待值之上.Jurkevich方法能方便的分析不等間隔的天文觀測(cè)數(shù)據(jù).根據(jù)樣本數(shù)據(jù)被劃分為m組，對(duì)應(yīng)第l組的統(tǒng)計(jì)參數(shù)應(yīng)為

(4)

(5)

其中xi和ml分別是單次測(cè)量值和第l組的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù).對(duì)應(yīng)m組的總方差為

(6)

為了估計(jì)Jurkevich方法的可信性，Kidger等人在1992年引入了f檢驗(yàn)[21].參數(shù)f是方差的歸一化因子，可由下式定義

(7)

圖3給出了Jurkevich方法對(duì)樣品數(shù)據(jù)的分析結(jié)果.從圖3可以看出，3C 66A在γ射線波段光變曲線可能存在三個(gè)光變周期：P1=213 d，P2=436 d,P3=615 d.可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)光變周期中存在簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，即P2≈2P1和P3≈3P1，這意味著三個(gè)可能的周期間存在天文學(xué)倍頻關(guān)系.所以Jurkevich方法所得結(jié)果表明3C 66A的γ射線波段光變曲線中可能存在一個(gè)時(shí)標(biāo)P=213 d的周期.另外，所得結(jié)果P=213 d對(duì)應(yīng)的參數(shù)f=0.15(<0.25)，且圖2顯示P=213 d對(duì)應(yīng)的深度的絕對(duì)值相對(duì)于“平坦”部分的絕對(duì)值是非常顯著的，這表明周期P=213 d是顯著且可靠的，并且該周期時(shí)標(biāo)與功率密度譜方法得到的220.7 d的結(jié)果是基本一致的，這為3C 66A在γ射電波段的光變曲線中存在周期性提供了新的證據(jù).綜上，分析表明3C 66A在γ射線波段的光變曲線中存在一個(gè)約216.9 d(功率密度譜方法和Jurkevich方法所得結(jié)果的平均值)的光變周期.

圖3

3 結(jié)論和討論

收集了BL Lac 天體3C 66A的γ射線的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并用功率密度譜方法和Jurkevich方法對(duì)其光變曲線進(jìn)行周期性分析.分析結(jié)果顯示3C 66A是一個(gè)非?；钴S的天體，并且兩種不同的分析方法得到基本一致的結(jié)果，即3C 66A在γ射線的光變曲線中存在約216.9 d的光變周期.為了解釋周期性光變現(xiàn)象，Villata和Raitevi在1999年提出螺旋噴流模型[22]，這為blazar的輻射流量變化提供了一種幾何學(xué)解釋，即周期變化可能與觀測(cè)視角的周期性變化有關(guān)系，這意味著輻射粒子沿著一個(gè)彎曲的路徑運(yùn)動(dòng).觀測(cè)視角的周期性變化導(dǎo)致聚束效應(yīng)的變化，聚束效應(yīng)的變化引起輻射流量的變化.視角的變化能夠在彎曲的噴流或者螺旋磁場(chǎng)圖景下得到很好的解釋.而彎曲的噴流能在超質(zhì)量雙黑洞模型下進(jìn)行解釋.因此，假設(shè)在3C 66A中心存在一個(gè)超質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，一個(gè)圍繞著主黑洞的吸積盤以及一個(gè)垂直于吸積盤的噴流.在雙黑洞中心，次黑洞圍繞著主黑洞做非共面的運(yùn)動(dòng)，次黑洞和吸積盤之間的潮汐力導(dǎo)致吸積盤產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致噴流的彎曲.

[1] LANZETTA K M,TURNSHEK D A,SANDOVAL J.Ultraviolet spectra of QSOs,BL Lacertae objects,and Seyfert galaxies[J].ApJS,1993,84(2):109-184.

[2] BELOKON E T,BABADZHANYANTS M K.The 2.5-year period in the optical variability of 3C 66A[J].ASP Conference Series,2003，299:205-208.

[3] B?TTCHER M,HARVEY J,JOSHI M,et al.Coordinated multiwavelength observation of 3C 66A during the WEBT Campaign of 2003-2004[J].ApJ,2005,631(1):169-186.

[4] B?TTCHER M,FULTZ K,ALLER H D,et al.The Whole Earth Blazar Telescope Campaign on the intermediate BL Lac object 3C 66A in 2007-2008[J].ApJ,2009,694(1):174-182.

[5] 王翠梅,鄭永剛,耀變體高能輻射的紅移限制[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,32(5):7-12.

[6] XIE G Z,LI K H,ZHANG X,et al．Optical monitoring sample of the GEV gamma-ray-loud blazars[J].ApJ,1999,522(2):846-862.

[7] XIE G Z,LI K H,CHENG F Z,et al．Search for short variability time-scales of BL Lacertae objects[J].A&A,1990,229(2):329-339.

[8] XIE G Z,LIU F K,ZHU Y Y,et al.CCD photometry of 10 BL Lacertae objects[J].A&AS,1991,87(3):461-469.

[9] XIE G Z, LI K H, LIU F K,et al．CCD photometry of 14 BL Lacertae objects and theoretical model[J].ApJS,1992,80(2):683-699.

[10] FAN J H,LIN R G．Optical variability and periodicity analysis for blazars.I.Light curves for radio-selected BL Lacertae objects[J].ApJ, 2000,537(1):101-122.

[11]SAGAR R,STALIN C S,GOPA1 K,et al．Intranight optical variability of blazers[J].MNRAS,2004,348(1):176-186.

[12]DAI B Z,XIE G Z,LI K H.et al.Rapid optical variability of gamma-ray-loud blazars[J].AJ,2001,122(6):2901-2912.

[13]GHOSH K K,KIM C,RAMSEY B D,et al.Optical microvariability of blazars[J].JKAS,2001,34(1):9-15.

[14]LAINELA M,TAKALO L O,SILLANPA,et al.The 65 day period in 3C 66A during bright state[J].ApJ,1999,521(2):561-564.

[15]ZHOVTAN A V,NESHPOR YU I,ZHOGOLEV N A,et al.Long-term observations of galaxy 3C 66A[J].BCrAO,2011,107(1):30-35.

[16]王備戰(zhàn),倪志瓊,畢雄偉,等.BL Lac天體的光學(xué)譜指數(shù)變化研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2011,31(2):20-25.

[17]FAN J H,CHENG K S,ZHANG L.Multi-wavelength variation properties of γ-ray-loud blazars[J].PASJ,2002,54(4):533-539.

[18]LOMB N R.Least-squares frequency analysis of unequally spaced data[J].Ap&SS,1976,39:447-462.

[19]SCARGLE J D.Studies in astronomical time series analysis.Ⅱ-Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data[J].ApJ,1982,263:835-853.

[20]JURKEVICH I.A method of computing periods of cyclic phenomena[J].Ap&SS,1971,13(1):154-167．

[21]KIDGER M,TAKALO L,SILLANPA.A new analysis of the 11-year period in OJ287-Confirmation of its existence[J].A&A,1992,264(1):32-36

[22]VILLATA M,RAITERI C M.Helical jets in blazars.I.The case of MKN 501[J].A&A,1999,347:30-36.

A Periodicity Analysis of the Light Curve of BL Lac Object 3C 66A

FANG Ting1, LIANG Ji-hua2, LI Wen-hong1, LI Huai-zhen1

(1.Physics Department, Yuxi Normal University, Yuxi 653100,China;2.The 3rd Middle School,Suzhou 234000,China)

In this paper,we have collected the light curves of BL Lac Objects 3C 66A at the γ-ray(0.1-300 GeV).Then,we have studied the period of 3C 66A by using the power spectrum estimation and the Jurkevich method. The results suggest that there is a period of P=216.9 days in the light curves of γ-ray band. The periodicity variability of 3C 66A in the γ-ray can be best explained in terms of the helical jet model.

3C 66A; Variability period; helical jet model

2015-03-22

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012FD055，2013FB063)；云南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目；玉溪師范學(xué)院青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目；玉溪師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014B19).

方 婷(1992-)，女，云南普洱人，主要從事天體物理方面研究.

李懷珍，男，博士，副教授.

P157.7

A

1007-9793(2015)03-0001-04