Fermi平譜射電類星體外光子場(chǎng)的研究*

黃 霞，馬 力，熊定榮，茶永娟，俞效齡，陳永云，龍光波，羅 丹，屠晶晶

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

Fermi平譜射電類星體外光子場(chǎng)的研究*

黃 霞，馬 力，熊定榮，茶永娟，俞效齡，陳永云，龍光波，羅 丹，屠晶晶

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于外康普頓模型，通過對(duì)193個(gè)伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)的平譜射電類星體的外光子場(chǎng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：(1)逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之比LIC/LS與逆康普頓峰頻率和同步峰頻率之比νIC/νS呈負(fù)相關(guān)；(2)逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之間具有強(qiáng)的相關(guān)性，并且logLIC=1.05logLS-1.58；(3)對(duì)于大部分Fermi平譜射電類星體，逆康普頓散射峰值的光度大于同步輻射峰值的光度。這些結(jié)果說明平譜射電類星體的種子光子除了來自寬線區(qū)外，還可能來自其它區(qū)域，并且與噴流的運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)以及外部光子的能量密度有關(guān)。

平譜射電類星體；光度；逆康普頓散射；外光子場(chǎng)；種子光子

耀變體(Blazar)具有快速光變、高偏振、非熱連續(xù)輻射等物理性質(zhì)。根據(jù)其弱發(fā)射線等值寬度(EW)不同，耀變體可分為蝎虎天體(BL Lac，EW<0.5 nm)和平譜射電類星體(FSRQ，EW>0.5 nm)[1]。為了解釋耀變體伽瑪射線的產(chǎn)生機(jī)制，研究者們提出了不同的物理過程，例如：同步自康普頓(SSC)過程[2]；逆康普頓散射來自吸積盤的軟光子過程[3-4]；逆康普頓散射被周圍的氣體和塵埃散射的軟光子或逆康普頓散射寬線區(qū)氣體云產(chǎn)生的軟光子過程[5-6]；極端相對(duì)論性質(zhì)子與軟光子和重子相互作用過程[7-9]。

由于Fermi大面積望遠(yuǎn)鏡(Fermi Large Area Telescope)具有高靈敏度，寬的探測(cè)能段，大視場(chǎng)等特性，到目前為止已經(jīng)觀測(cè)到數(shù)百顆耀變體[10]。在近期發(fā)表的Fermi二期伽瑪射線源表中包含395個(gè)蝎虎天體，310個(gè)平譜射電類星體和157個(gè)不知道具體類型的耀變體[11]。由于平譜射電類星體的吸積率較大，高效的吸積流導(dǎo)致強(qiáng)的外光子場(chǎng)。一般認(rèn)為，平譜射電類星體的伽瑪射線輻射產(chǎn)生于外部康普頓散射過程[12-13]。文[14]利用均勻的外康普頓模型(種子光子來自寬線區(qū))研究耀變體的高能輻射和外光子場(chǎng)的性質(zhì)。本文基于外康普頓模型對(duì)Fermi平譜射電類星體的高能輻射和外光子場(chǎng)的性質(zhì)進(jìn)行研究。論文的第1部分闡述利用平譜射電類星體樣本數(shù)據(jù)得到參數(shù)的過程；第2部分是結(jié)果；第3部分是討論和結(jié)論。

1 樣本和方法

文[15]從Fermi二期源表中選取了一批在靜止坐標(biāo)下有確定的同步輻射峰值頻率、5 GHz流量密度和紅移的 “干凈” 樣本，樣本包括352個(gè)源(145個(gè)蝎虎天體，195個(gè)平譜射電類星體和12個(gè)不知道具體類型的耀變體)，他們利用康普頓主導(dǎo)參數(shù)(逆康普頓散射峰值的光度與同步輻射峰值的光度之比)研究Fermi耀變體的序列。由于平譜射電類星體的吸積率較大，具有較強(qiáng)的外光子場(chǎng)，所以選取文[15]中的193個(gè)Fermi平譜射電類星體作為研究的樣本(由于2FGLJ1033.9+6050和 2FGLJ2330.2+1107沒有紅移，因此將這兩個(gè)源排除)，并采用相對(duì)應(yīng)的同步輻射峰值頻率logνS、同步輻射峰值光度logLs和逆康普頓散射峰值的光度logLIC。

為了研究平譜射電類星體的高能輻射和外光子場(chǎng)的性質(zhì)，需要得到逆康普頓散射峰值的頻率νIC， 由文[16]的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

logνIC=-4.0Γγ+31.6，

(1)

得到νIC，伽瑪射線光子譜指數(shù)Γγ從文[15]中得到。

用(1)式計(jì)算νIC，結(jié)果列在表1中。表1中：(1)列是Fermi源名稱；(2)列是紅移；(3)列是同步輻射峰值頻率對(duì)數(shù)logνS；(4)列是同步輻射峰值光度對(duì)數(shù)logLS；(5)列是逆康普頓散射峰值光度對(duì)數(shù)logLIC；(6)列是逆康普頓散射頻率對(duì)數(shù)logνIC；(7)列是逆康普頓散射峰值頻率和同步輻射峰值頻率之比的對(duì)數(shù)log(νIC/νS)；(8)列是逆康普頓散射峰值光度和同步輻射峰值光度之比的對(duì)數(shù)log(LIC/LS)。

表1 平譜射電類星體樣本

續(xù) 表

續(xù) 表

續(xù) 表

續(xù) 表

2 結(jié) 果

圖1給出了樣本的紅移分布。從圖1可以看出：樣本的紅移分布在0到3.2之間，紅移平均值是1.5。該紅移分布圖和完整Fermi平譜射電類星體的紅移分布一致[11]，表明選取的樣本是有代表性的Fermi樣本。

圖2給出了Fermi平譜射電類星體LIC/LS和νIC/νS的關(guān)系。利用一元線性回歸分析方法，得到Fermi平譜射電類星體LIC/LS和νIC/νS之間滿足下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

log(LIC/LS)=-0.29log(νIC/νS)+3.09，

其中，相關(guān)系數(shù)r=-0.47；標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=0.5；置信度P<0.0001?；貧w分析結(jié)果表明，F(xiàn)ermi平譜射電類星體LIC/LS和νIC/νS之間存在負(fù)相關(guān)性。

圖1 紅移分布圖

圖3給出了Fermi平譜射電類星體的逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度的關(guān)系。利用一元線性回歸分析方法，得到Fermi平譜射電類星體的逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

logLIC=1.05logLS-1.58，

其中，相關(guān)系數(shù)r=0.78；標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=0.6；置信度P<0.0001。線性回歸分析結(jié)果表明，逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之間具有強(qiáng)的相關(guān)性。從圖3可以看出，對(duì)于大部分Fermi平譜射電類星體，逆康普頓散射峰值的光度大于同步輻射峰值的光度。

圖2 逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之比(LIC/LS)與逆康普頓散射峰值的頻率和同步輻射峰值的頻率(νIC/νS)的關(guān)系圖，黑線是線性回歸擬合的結(jié)果

圖3 逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度的關(guān)系圖，實(shí)線是線性回歸的結(jié)果，虛線是逆康普頓散射峰值的光度等于同步輻射峰值的光度

3 討論和結(jié)論

通過研究一個(gè)Fermi平譜射電類星體樣本得到：(1)逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之比LIC/LS與逆康普頓散射峰值頻率和同步輻射峰值頻率之比νIC/νS呈負(fù)相關(guān)，并且log(LIC/LS)=-0.29log(νIC/νS)+3.09；(2)逆康普頓散射峰值的光度與同步輻射峰值的光度之間具有強(qiáng)的相關(guān)性，并且logLIC=1.05logLS-1.58；(3)對(duì)于大部分Fermi平譜射電類星體，逆康普頓散射峰值的光度大于同步輻射峰值的光度。

從結(jié)果可以得到逆康普頓散射峰值的光度和同步輻射峰值的光度之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，r=0.78?；谕饪灯疹D模型研究平譜射電類星體的高能輻射和外光子場(chǎng)的性質(zhì)，結(jié)合逆康普頓散射峰值和同步輻射峰值的頻率得到逆康普頓散射峰值和同步輻射峰值的光度之比為

文[14]基于均勻的外部康普頓散射過程(種子光子來自寬線區(qū))，得到方程：

從上式可以得到：如果外光子場(chǎng)的能量密度Uext>0，LIC/LS和(νIC/νS)2之間應(yīng)該有正的相關(guān)性，這和統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果是矛盾的，可能的原因是：(1)平譜射電類星體的種子光子除了來自寬線區(qū)外，還可能來自其它區(qū)域，例如噴流內(nèi)部、塵埃環(huán)等[20-25]; (2)文[15]得到的數(shù)據(jù)是利用寬波段的譜指數(shù)得到同步峰的頻率，利用5 GHz光度和同步峰頻率得到同步輻射峰值的光度，利用Fermi譜外推得到高能峰的光度，利用伽瑪光子譜指數(shù)得到高能峰的頻率。通常，得到這些參數(shù)最好的方法是對(duì)準(zhǔn)同時(shí)性多波段能譜進(jìn)行擬合，因此這些近似的估算對(duì)結(jié)果可能會(huì)有影響。

在分析處理數(shù)據(jù)的過程中對(duì)一些參數(shù)的評(píng)估可能存在一定誤差，因?yàn)橛泻芏嘁蛩赜绊懄蚐、νIC和對(duì)應(yīng)的光度，要得到精確的誤差很難。文[15]討論了可能的誤差來源：(1)射電、光學(xué)、X-射線，這可能對(duì)νS和νIC的確定有影響；(2)擬合能譜分布(Spectral Energy Distribution, SED)的函數(shù)不準(zhǔn)確，可能也會(huì)引入誤差；(3)伽瑪射線的光度測(cè)量存在誤差，可能會(huì)影響LIC的確定；(4)光變也會(huì)引入誤差。

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A Study of External Photon Fields in Flat-Spectrum Radio Quasars Observed by the Fermi Large Area Telescope

Huang Xia, Ma Li, Xiong Dingrong, Cha Yongjuan, Yu Xiaoling, Chen Yongyun, Long Guangbo, Luo Dan, Tu Jingjing

(College of Physics and Electronics, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China, Email:hxia0924@163.com)

Based on the model of External Compton (EC) photons, we have collected a sample of 193 Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQs) observed by the Fermi Large Area Telescope and explored the properties of the external photon fields (as radiation seeds) in them. The results of our study are as follows. (1) There is an anti-correlation between (LIC/LS) and (νIC/νS) in our sampled FSRQs. Here, the (LIC/LS) is the ratio of the peak luminosity of inverse Compton scattering radiation to that of synchrotron radiation; the (νIC/νS) is the ratio of the peak frequency of inverse Compton scattering radiation to that of synchrotron radiation. (2) The peak luminosities of inverse Compton scattering radiation are strongly correlated with those of synchrotron radiation in the FSRQs. (3) In most FSRQs the peak luminosities of inverse Compton scattering radiation are above those of synchrotron radiation. The results show that in FSRQs photons as radiation seeds may be from broad-line regions as well as additional regions, and jet motions are related to the magnetic fields/external-photon energy densities.Key words: Flat-Spectrum Radio Quasars; Luminosity; Inverse Compton scattering radiation; External photon field; Photons as radiation seeds

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11163007)；國(guó)家自然科學(xué)基金 (U1231203) 資助.

2014-12-26；

2015-01-28

黃 霞，女，碩士. 研究方向：天體物理. Email: hxia0924@163 com

馬 力，男，教授. 研究方向：天體物理. Email: mali@ynnu edu cn

P158

A

1672-7673(2015)04-0385-09

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673