利用α-F環(huán)分析Blazar 3C454.3的長(zhǎng)周期光變

袁聿海，張心瑜，郭寧莉，張冠軍

（廣州大學(xué)　物理與電子工程學(xué)院，廣東　廣州 510006）

利用α-F環(huán)分析Blazar 3C454.3的長(zhǎng)周期光變

袁聿海，張心瑜，郭寧莉，張冠軍

（廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

通過(guò)研究輻射譜和流量密度之間的關(guān)系，可以分析與輻射有關(guān)的輻射過(guò)程以及其中蘊(yùn)含的輻射理論.文章利用UMRAO（美國(guó)密歇根大學(xué)射電天文臺(tái)）數(shù)據(jù)庫(kù)，從中挑選了1個(gè)具有比較多觀測(cè)數(shù)據(jù)的源——3C454.3.利用該源的流量密度（F），計(jì)算了對(duì)應(yīng)的譜指數(shù)（α），得到α的范圍為-0.339±0.038至0.517± 0.013，平均值為=0.171±0.217.流量密度和譜指數(shù)之間存在比較強(qiáng)的反相關(guān)：α=（-0.057±0.004）F14.5+ 0.758±0.039，相互系數(shù)為r=-0.778，差異概率P＜0.01.在流量密度和譜指數(shù)的分布中存在著2個(gè)比較明顯的橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其時(shí)間跨度分別為5.82 a和6.71 a，該時(shí)間跨度與源的長(zhǎng)周期光變時(shí)標(biāo)是一致的.

Blazar星系；個(gè)別；3C454.3；譜指數(shù)

Blazars星系是具有快速光變、高且變化的偏振、強(qiáng)射電輻射和視超光速運(yùn)動(dòng)等特殊性質(zhì)的一類(lèi)活動(dòng)星系.該星系包括FSRQs和BL Lac 2類(lèi).它們從射電到X射線甚至γ射線都被發(fā)現(xiàn)具有光變性質(zhì)，并且光變的時(shí)標(biāo)可以從小時(shí)到年的量級(jí)［1-2］.Blazars不同時(shí)標(biāo)的光變可以通過(guò)吸積盤(pán)的不穩(wěn)定性、星系內(nèi)部的超大黑洞，以及相對(duì)論噴流效應(yīng)等物理模型加以解釋.

相對(duì)論噴流效應(yīng)可以解釋許多極端的觀測(cè)性質(zhì)［3］，因而B(niǎo)lazars是研究極端相對(duì)論噴流的最佳實(shí)驗(yàn)室.很多學(xué)者都在Blazars中發(fā)現(xiàn)了環(huán)狀的時(shí)間間隔，比如AO 0235+164，1308+326，2223-052等，該環(huán)狀結(jié)構(gòu)很可能與Blazars的長(zhǎng)準(zhǔn)周期有 關(guān)［4-6］.

3C454.3（PKS2251+158，OY091）是一個(gè)比較亮的、變化比較劇烈的活動(dòng)星系，并且在光學(xué)和射電波段存在著比較明顯的相關(guān)性［6］.為了計(jì)算該源的光變周期，WEBB等［7］利用1971～1985年的B波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到該源具有0.8 a、3.0 a和6.4 a長(zhǎng)周期光變.CIARAMELLA［8］利用UMRAO數(shù)據(jù)得到6.3±0.2 a的長(zhǎng)周期光變.KUDRYAVTSEVA等［9］利用UMRAO數(shù)據(jù)和Mets?ahovi射電數(shù)據(jù)得到該源具有6.2±0.1 a和12.4±0.2 a等2個(gè)長(zhǎng)周期光變.FAN等［10］利用UMRAO數(shù)據(jù)分析得出該源具有6.2±0.2 a和12.3±1.8 a的光變周期.

1　樣 本

本文選取的射電流量來(lái)自美國(guó)的UMRAO數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的頻率分別為4.8 GHz，8.0 GHz和14.5 GHz.利用以下方法來(lái)計(jì)算它們的平均流量密度和譜指數(shù)：①將每個(gè)波段的每隔7 d的流量密度取平均數(shù)（4.8 GHz，8.0 GHz和14.5 GHz），這樣得到了N組流量密度，每組流量密度在3個(gè)波段的流量 密度 分別是 F4.8 GHz，F(xiàn)8 GHz和F14.5 GHz；②利用關(guān)系式Fv∝v-α（v=4.8 GHz，8.0 GHz，14.5 GHz）得到對(duì)應(yīng)的譜指數(shù).

對(duì)于3C454.3，計(jì)算后得到162個(gè)譜指數(shù)（α），其變化范圍從-0.339±0.038至0.517± 0.013，平均值為ˉα=0.171±0.217.譜指數(shù)和平均流量密度見(jiàn)圖1，其中，上圖代表平均光變曲線，下圖代表譜指數(shù).

圖1　3C454.3的平均光變曲線和譜指數(shù)Fig.1 The averaged lightcurve and spectral index of 3C454.3

2　譜指數(shù)與流量密度的關(guān)系

2.1數(shù)據(jù)分析方法

對(duì)2個(gè)變量x和y，一般可以可用線性擬合的方法來(lái)分析2者之間的相關(guān)性，y=（k±Δk）x+ （k0±Δk0），相關(guān)系數(shù)為r，差異水平為 P，這里k和Δk分別是斜率以及對(duì)應(yīng)的誤差，k0和Δk0分別是截距及其誤差.但當(dāng)2變量之間不是線性的分布，而是橢圓結(jié)構(gòu)分布時(shí)，則相應(yīng)橢圓結(jié)構(gòu)可以利用如下橢圓曲線進(jìn)行擬合：

這里a，b，c，d，e，f是自由參數(shù)，|a|代表被歸一化.

2.2分析結(jié)果

利用上式分析3C454.3中譜指數(shù)α和射電流量密度F14.5之間的關(guān)系，得到如下結(jié)果：α= （-0.057±0.004）F14.5+0.758±0.039，相關(guān)系數(shù)為 r=-0.778，差異水平 P＜0.01，見(jiàn)圖2.

圖2　流量密度和譜指數(shù)之間的相關(guān)性Fig.2 The correlation between the flux density and spectral index

α和F14.5的分布在JD2 444 403.374至JD2 446 530.701，構(gòu)成了橢圓環(huán)1結(jié)構(gòu)，該橢圓環(huán)的時(shí)間跨度為2 127 d（5.82 a），沿著時(shí)間的順序，橢圓環(huán)的變化方向是逆時(shí)針?lè)较?，?jiàn)圖3（實(shí)心點(diǎn)）.同樣，從JD2 446 665.766至JD2 448 920.314，α和F14.5構(gòu)成橢圓環(huán)2，該橢圓環(huán)的時(shí)間跨度為2 254 d （6.17 a），見(jiàn)圖3（空心點(diǎn)）.

利用橢圓曲線進(jìn)行擬合，得到如下結(jié)果：對(duì)于橢圓環(huán)1，擬合曲線為-0.003x2-0.058xy-0.458 4y2+ 0.075 4x+0.756 4y-0.456 8=0，在圖3中用實(shí)線表示；對(duì)于橢圓環(huán)2，擬合曲線為-0.002 5x2-0.058 3xy-0.589 3y2+0.057 8x+0.737 1y-0.320 3=0，在圖3中用虛線表示.

圖3　α和F14.5Fig.3 Using the elliptic curve to fitting the relation between a and F14.5

3　討 論

在許多論文中都曾經(jīng)涉及到Blazars的譜指數(shù)與流量密度之間的關(guān)系.STEVENS等［11］分析過(guò)αro和αrx（r，o，x分別表示無(wú)線電波段，光波段和X射線波段）的分布，并且得到這2個(gè)譜指數(shù)是相關(guān)的.TREVESE等［12］得到譜指數(shù)的變化幅度與流量密度的對(duì)數(shù)是呈線性相關(guān)的.

如果基于橢圓環(huán)的時(shí)間跨度，對(duì)該源的光變曲線進(jìn)行分割，可以得到圖4所示的結(jié)果.這2個(gè)橢圓環(huán)的可變范圍是與光度曲線的可變范圍相一致的，由此可以得出這2個(gè)橢圓環(huán)的時(shí)間跨度很可能與長(zhǎng)準(zhǔn)周期的光變時(shí)標(biāo)相一致.

FAN等［10］分析了該源在射電波段的長(zhǎng)周期光變.結(jié)果如下：在4.8 GHz，存在6.2±0.2 a和12.3±1.8 a的光變周期，在8 GHz存在6.7±0.1 a和13.6±1.1 a的光變周期，在14.5 GHz存在6.3±0.2 a的光變周期.本文通過(guò)研究該源在14.5 GHz的譜指數(shù)與流量密度的分布，發(fā)現(xiàn)橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)，得到相應(yīng)的時(shí)間跨度分別為5.82 a和 6.17 a.由此可見(jiàn)，該時(shí)間跨度與FAN等［10］得到的光變周期是一致的.

圖4　在14.5 GHz波段，平均光度曲線隨時(shí)間的變化Fig.4 The variability of averaged lightcures at 14.5 GHz

許多學(xué)者利用相對(duì)論噴流在螺旋磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)激波模型來(lái)解釋流量的變化幅度［13-16］.本文的結(jié)果可以解釋螺旋場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)周期與流量密度之間的關(guān)系，射電波段的長(zhǎng)周期光變很可能來(lái)自噴流和螺旋磁場(chǎng).

本文中，基于多波段的光變曲線，計(jì)算了3C454.3的射電譜指數(shù)，該譜指數(shù)的變化范圍從-0.339±0.038至0.517±0.013，譜指數(shù)的平均值為ˉα=0.171±0.217.在流量密度和譜指數(shù)的分布中存在著2個(gè)比較明顯的橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其時(shí)間跨度分別為5.82 a和6.71 a，并且該時(shí)間跨度與該源的長(zhǎng)周期光變時(shí)標(biāo)是一致的.

感謝：本研究所利用的數(shù)據(jù)來(lái)自密歇根射電天文觀測(cè)臺(tái)并受到密歇根大學(xué)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持.

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【責(zé)任編輯：陳 鋼】

Analysis on the long-term periodicity of Blazar 3C454.3 by α-F circle

YUAN Yu-hai，ZHANG Xin-yu，GUO Ning-li，ZHANG Guan-jun
（School of Physics and Electronic Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

In the radio band，the relationship between the emission spectrum（α）and flux density（F）can demonstrate the emission theory and process.In this paper，we chose a Blazar with enough data from UMRAO （the University of Michigan Radio Observatory）to calculate the spectrum（α）and flux density（F）.We obtained 162 spectral indices（α），which come from-0.339±0.038 to 0.517±0.013，with the average value ˉα=0.171±0.217.There were anti-correlations between α and F：α=（-0.057±0.004）F14.5+0.758± 0.039，with the correlation coefficient r=-0.778，the chance P＜0.01%.There are two obvious elliptic curves lie in the distributions between α and F；the time spans of two elliptic curves were 5.82 years and 6.71 years；The time spans of the elliptic curves are consistent with the long-term periodicity optical variability.

Blazar；individually；3C454.3；spectrum

P 141

A

1671-4229（2016）03-0030-04

2016-02-26；

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11403006）

袁聿海（1980-），實(shí)驗(yàn)師，理學(xué)博士.E-mail：yh_yuan@gzhu.edu.cn