費(fèi)米耀變體的X射線輻射?

楊江河 樊軍輝 張?jiān)律?楊如曙 庹滿先 聶建軍

(1湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 常德 415000)

(2廣州大學(xué)天體物理中心 廣州 510006)

(3廣東省教育廳天文觀測(cè)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510006)

(4湖南文理學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院 常德 415000)

1 引言

眾所周知,耀變體是活動(dòng)星系核(Active Galactic Nucleus,AGN)的一個(gè)最具極端觀測(cè)性質(zhì)的子類,其輻射機(jī)制,特別是其高能輻射機(jī)制備受觀注[1?15].繼EGRET(Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope)之后,又有大量耀變體被Fermi/LAT(Large Area Telescope)發(fā)現(xiàn),極大地推動(dòng)了高能γ射線輻射機(jī)制的研究.根據(jù)發(fā)射線的不同,耀變體可分為平譜射電源(Flat Spectrum Radio Quasar,FSRQ)和蝎虎天體(BL Lac object,BL Lac).最近,Ghisellini等[16]提出了一種新的分類方法,即由γ射線譜指數(shù)與γ射線光度的關(guān)系,提出根據(jù)寬線區(qū)光度和愛丁頓光度的比值(LBLR/LEdd～5×10?4)將耀變體分為FSRQ和BL Lac.根據(jù)巡天方式,BL Lac分為射電選BL Lac(RBL)和X射線選BL Lac(XBL).Giommi等[17]研究了一個(gè)含121個(gè)BL Lac樣本的射電到X射線的譜能分布,發(fā)現(xiàn)RBL的同步峰頻位于紅外到光學(xué)波段,XBL的位于紫外到X射線波段.一般來說,耀變體的譜能分布具有雙峰結(jié)構(gòu),第1個(gè)峰(低能峰,又稱同步峰)位于遠(yuǎn)紅外到軟X射線之間,第2個(gè)峰(高能峰)位于MeV到TeV波段[3,18?21].大量研究表明,第1個(gè)峰由同步輻射產(chǎn)生,一些耀變體的第2個(gè)峰由逆康普頓輻射產(chǎn)生,且有的BL Lac天體的第2個(gè)峰可用強(qiáng)子模型得到很好的解釋[22?24].根據(jù)同步峰頻的高低,耀變體可分為3類,即:低同步峰(LSP)耀變體,中同步峰(ISP)耀變體和高同步峰(HSP)耀變體[3,25],對(duì)于BL Lac天體,該3類分別為L(zhǎng)BL(低同步峰BL Lac天體)、IBL(中同步峰BL Lac天體)和HBL(高同步峰BL Lac天體).一些研究者[3,17?18,25?31]計(jì)算了不同耀變體樣本的譜能分布,并給出了第1個(gè)或第2個(gè)峰的頻率.在用同步峰頻對(duì)數(shù)值lg(νp/Hz)的大小對(duì)耀變體進(jìn)行分類時(shí),不同的文獻(xiàn)所給出的用于耀變體分類的同步峰頻值存在較大差異.如文獻(xiàn)[25]的分類邊界為(14.5,16.5),即lg(νp/Hz)614.5的源歸為L(zhǎng)SP,14.516.5的源為HSP;文獻(xiàn)[3]的分類邊界值為(14,15),文獻(xiàn)[24]的為(14.0,15.3);文獻(xiàn)[30]只對(duì)BL Lac天體進(jìn)行了分類,并分為2類,分類邊界為15,即,lg(νp/Hz)小于15的為L(zhǎng)BL,大于15的為HBL.

在耀變體能譜中,X射線輻射處于同步輻射的尾部和逆康普頓輻射的開始,因此,X射線的輻射起源較復(fù)雜,不同峰頻耀變體的輻射機(jī)制存在差異.本文將對(duì)耀變體同步輻射部分的譜能分布進(jìn)行分析,并以此討論不同類型耀變體的X射線輻射的差異.

2 X射線輻射組成

耀變體的全波段譜能分布(SED)顯示有明顯的2個(gè)峰.目前研究認(rèn)為第1個(gè)峰由同步輻射產(chǎn)生,第2個(gè)峰主要由逆康普頓輻射產(chǎn)生.X射線能譜在2個(gè)峰之間,位于同步輻射之尾,逆康頓輻射之首,因此,X射線輻射可能含有多個(gè)輻射成份.

文獻(xiàn)[3,24–26,29]計(jì)算了不同耀變體樣本的同步輻射部分的譜能分布,用拋物線函數(shù)對(duì)譜進(jìn)行了擬合,并視所得擬合線頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率為同步峰頻,給出了大量耀變體在觀測(cè)坐標(biāo)系中的同步峰頻.如Fan等[25]用拋物線函數(shù)擬合的3FGL 0118.8-2142同步輻射的SED如圖1所示.圖1中橫坐標(biāo)為頻率的對(duì)數(shù);縱坐標(biāo)是以頻率乘以流量密度表示的流量(單位erg·cm?2·s?1)的對(duì)數(shù);曲線根據(jù)源的多波段數(shù)據(jù)由拋物線函數(shù)lg(νfν)=P1(lgν?P2)2+P3擬合得到,參數(shù)P1、P2和P3的物理意義分別為拋物線的曲率、觀測(cè)坐標(biāo)系中的同步峰頻(lgνp)和同步輻射峰流量(lg(νpfνp)).根據(jù)SED的物理意義,圖1中的擬合拋物線可近似為3FGL 0118.8-2142的同步輻射譜.

Yang等[32]2018年研究了耀變體的有效譜指數(shù)性質(zhì),得到用射電、光學(xué)及γ射線流量反映X射線流量的2個(gè)方程,即:對(duì)于FSRQ和LBL有或lgfX～0.42lgfR+0.58lgfγ;對(duì)HBL有或lgfX～0.69lgfO+0.31lgfγ.式中,fR、fO、fX和fγ分別為射電1.4 GHz、光學(xué)R波段(4.68×1014Hz)、X射線1 keV和γ射線1 GeV流量密度.若射電、光學(xué)輻射由同步輻射產(chǎn)生,γ射線輻射由逆康普頓輻射產(chǎn)生,文獻(xiàn)[31]指出X射線輻射由同步輻射及逆康普頓輻射2個(gè)成份組成,并且對(duì)于FSRQ和LBL,逆康普頓成份多于同步輻射成份,而對(duì)于HBL,同步輻射成份多于逆康普頓輻射成份.由此,若假定fR、fO代表同步輻射成份,fγ代表逆康普頓成份,則關(guān)于X射線輻射有如下方程:

對(duì)于FSRQ和LBL,

對(duì)于HBL,

(1)–(2)式中,fSyn和fIC分別表示同步輻射和逆康普頓輻射流量密度.

圖1 3FGL0118.8-2142的譜能分布.圖中,SX為觀測(cè)X射線流量,SSyn為X射線輻射的同步輻射成份,CIC為SX與SSyn的差,即CIC=SX?SSyn.Fig.1 The spectral energy distribution for 3FGL 0118.8-2142.SXis the observed X-ray flux,SSynis the synchrotron components of X-ray emissions,and CICis the difference between SXand SSyn,namely,CIC=SX?SSyn.

圖1 所示3FGL 0118.8-2142的SED圖中,X射線只有1個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù),觀測(cè)流量為SX.根據(jù)文獻(xiàn)[31]的結(jié)果,圖1中SSyn應(yīng)為X射線的同步輻射成份,那么逆康普頓輻射成份為

其中,SX=lg(νXfX),SSyn=lg(νXfSyn),νX為X射線的觀測(cè)頻率.同步輻射成份SSyn可從擬合結(jié)果求得,即

其中,P1,P2和P3為擬合參數(shù),用拋物線函數(shù)擬合源的SED得到,如擬合3FGL 0118.8-2142的SED得到P1=?0.17±0.01,P2=13.18±0.07和P3=?11.72±0.07(圖1).本文在計(jì)算SSyn時(shí),所用到的3個(gè)參數(shù)來自文獻(xiàn)[24].

按X射線輻射由同步及逆康普頓輻射2個(gè)成份組成的觀點(diǎn)[32],有fX=fSyn+fIC,即

3 耀變體樣本

Fan等[25]2016年從NED(NASA/IPAC Extragalactic Database,http://ned.ipac.caltech.edu/)中收集了1425個(gè)費(fèi)米耀變體從射電到X射線的多波段數(shù)據(jù),研究了它們的譜能分布(SED),并用拋物線方程lg(νfν)=P1(lgν?P2)2+P3擬合了其譜能分布,成功給出了1392個(gè)耀變體的譜曲率(P1)、同步峰頻(P2,lgνp)和峰流量(P3,lg(νpfνp))等參數(shù).1392個(gè)費(fèi)米耀變體中,有461個(gè)FSRQ,620個(gè)BL Lac,311個(gè)未知類型耀變體(blazars of uncertain type,BCU).在1081個(gè)FSRQ和BL Lac天體中,有660個(gè)耀變體(269個(gè)FSRQ,391個(gè)BL Lac)從NED中獲得了X射線數(shù)據(jù).本文將以這660個(gè)有X射線數(shù)據(jù)的耀變體為樣本,分析耀變體的X射線輻射.

從圖1可見,3FGL 0118.8-2142只有1個(gè)X射線數(shù)據(jù)點(diǎn),該點(diǎn)位于拋物線的上方,因此,可用(3)–(5)式計(jì)算得到該源的同步及逆康普頓輻射流量.顯然,若用擬合得到的拋物線表示同步輻射譜,對(duì)于所有的源,X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)并不會(huì)全部位于擬合線上方,也有可能位于擬合線的下方.在Fan等[25]給出的660個(gè)有X射線數(shù)據(jù)的耀變體的SED中,有436個(gè)源的X射線1 keV數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合線上方或擬合線上,224個(gè)源的位于擬合線下方.若X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合線下方,則由(3)–(5)式計(jì)算得到的逆康普頓輻射流量為負(fù)值,這顯然不合理.因此,當(dāng)X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合線的下方時(shí),則應(yīng)認(rèn)為用拋物線函數(shù)擬合所得擬合線(右半部分)未真實(shí)反映同步輻射高能部分的輻射譜,高能部分的譜線應(yīng)更陡一些.如3FGL J1150.3+2417,其譜能分布如圖2所示[25].該源有2個(gè)X射線觀測(cè)數(shù)據(jù),流量(lg(νfν))分別為SX1和SX2.粗實(shí)線為拋物線擬合結(jié)果,圖2顯示,2個(gè)X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于拋物線的下方.較細(xì)曲線(左側(cè)為實(shí)線,右側(cè)為虛線)是用3次方程擬合所得擬合線.顯然,較陡的細(xì)虛線更能反映3FGL J1150.3+2417同步部分的高能輻射譜,這說明拋物線確實(shí)不能嚴(yán)格準(zhǔn)確地反映同步輻射的能譜.

圖2 3FGL 1150.3+2417的譜能分布.圖中SX1和SX2為2次觀測(cè)的X射線流量,SSyn1(SSyn2)為與觀測(cè)流量SX1(SX2)對(duì)應(yīng)的同步輻射成份.Fig.2 The spectral energy distribution for 3FGL 1150.3+2417.SX1and SX2are the twice observed X-ray fluxes,and SSyn1(SSyn2)is the components of synchrotron emissions corresponding to the observed flux SX1(SX2).

對(duì)于X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合線下方的情形,由于對(duì)這些源沒有做更精確的同步輻射譜擬合,因此,本文在以下的分析中不考慮這種情形,僅以X射線數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合線上或擬合線上方的436個(gè)源為樣本做一些相關(guān)分析.

4 結(jié)果

本文計(jì)算了436個(gè)耀變體樣本源1 keV處的流量密度(fX),并根據(jù)(3)–(5)式計(jì)算了各源的同步和逆康普頓分量(fSyn、fIC和CIC). 討論了如下一些相關(guān)關(guān)系:lgfX與0.42lgfSyn+0.58lgfIC(FSRQ、LBL)和0.69lgfSyn+0.31lgfIC(HBL);lgfX、lgfIC、lgfSyn及CIC與lgνp.所得結(jié)果如圖3和圖4,線性擬合結(jié)果如表1所示.表1中:線性擬合方程表述為y=(a±?a)+(b±?b)x;r為相關(guān)系數(shù);p為隨機(jī)概率;n為樣本量;T為總樣本、F代表FSRQ、B代表BL Lac、H代表HBL、L代表LBL.同步峰頻(lgνp)來自文獻(xiàn)[24].

圖3 X射線流量與其分量組合的關(guān)系Fig.3 The correlations between X-ray flux densities and the combination of different X-ray components

圖4 同步峰頻與X射線流量、同步輻射和逆康普頓分量的關(guān)系Fig.4 The correlations of synchrotron peak frequencies with X-ray flux densities,synchrotron emission,and inverse Compton components

表1 兩參數(shù)相關(guān)的線性回歸結(jié)果Table 1 The linear fitting results for the correlations between two parameters

5 討論

由文獻(xiàn)[31]得到關(guān)于X射線流量的兩個(gè)近似表達(dá)式:對(duì)于FSRQ和LBL有,lgfX=0.42lgfSyn+0.58lgfIC;對(duì)于HBL有,lgfX=0.69lgfSyn+0.31lgfIC.本文也討論了這兩個(gè)關(guān)系,結(jié)果如圖3和表1所示.

圖3和表1顯示:對(duì)于FSRQ、LBL及FSRQ+LBL樣本,lgfX與0.42lgfSyn+0.58lgfIC有很好的正相關(guān),r分別為0.77、0.86和0.77,p均小于0.0001;對(duì)于HBL樣本,lgfX和0.69lgfSyn+0.31lgfIC有很好的正相關(guān),r為0.96,p小于0.0001.該結(jié)果表明,方程(1)和(2)是可信的.因此,可以進(jìn)一步確認(rèn)X射線輻射由同步輻射及逆康普頓輻射2個(gè)成份組成.并且FSRQ與LBL一樣,其逆康普頓成份多于同步輻射成份,因此,或許LBL與FSRQ的X射線有類似的輻射機(jī)制;而對(duì)于HBL,其同步輻射成份多于逆康普頓輻射成份[32].也就是說,若源的同步峰頻較高,則其X射線中的同步輻射成份較高,逆康普頓成份較低.

根據(jù)(3)–(5)式,本文計(jì)算了436個(gè)耀變體的fX及fSyn和fIC.計(jì)算得到各子樣本的fSyn及fIC所占總輻射的平均值如表2所示.從表2可知:對(duì)于較低峰頻的樣本,FSRQ、LBL及FSRQ+LBL,其逆康普頓成份占總輻射的比值(>73%)高于同步輻射成份(<27%);而對(duì)于較高峰頻的HBL樣本,其逆康普頓成份占總輻射的比值(27%)小于同步輻射成份(73%).因此,高峰頻源有高的同步輻射成份和低的逆康普頓輻射成份,而低峰頻源有高的逆康普頓輻射成份和低的同步輻射成份.該結(jié)果與前面的結(jié)果及Yang等[32]的結(jié)果是一致的.

表2 不同類型耀變體的X射線同步分量與逆康普頓分量占總輻射比值的平均值Table 2 The averaged ratio of synchrotron component and inverse Compton component to the total X-ray emissions for different samples

圖4(a)和表1顯示:對(duì)于總樣本(T)、BL Lac及其子類HBL樣本,lgfX與lgνp存在正相關(guān)關(guān)系,r分別為0.55、0.57和0.36,p分別<10?4、<10?4和=1.23 × 10?4; 對(duì)于FSRQ樣本,lgfX與lgνp沒有相關(guān);對(duì)于LBL,二者之間存在一個(gè)弱的負(fù)相關(guān)(r=?0.47,p=1.48%).HBL的X射線輻射主要來自同步輻射,而FSRQ和LBL的X射線輻射主要來自逆康普頓輻射,因此導(dǎo)致了以上不同類型天體的X射線輻射與同步峰頻之間的一些關(guān)系,該結(jié)果與Fan等[25]的結(jié)果是一致的.

圖4(b)和表1顯示lgfIC與lgνp之間:對(duì)于總樣本(T),二者沒有相關(guān)(r=0.11,p=1.98%);對(duì)于FSRQ和LBL,存在負(fù)相關(guān)趨勢(shì)(FSRQ:r=?0.26,p=1.74×10?4,LBL:r=?0.54,p=4.68×10?3);對(duì)于HBL,存在正相關(guān)趨勢(shì)(r=0.28,p=3.44×10?3).

從圖4(a)中的散點(diǎn)分布可以看出,X射線流量與同步峰頻存在正相關(guān)的趨勢(shì),但圖4(b)顯示,除去同步成份后,即X射線的逆康普頓成份與同步峰頻幾乎無相關(guān).這一結(jié)果表明,同步峰頻與同步輻射有較好的關(guān)系,這也是顯然的,如同步峰頻與射電輻射有較好的相關(guān)[25?26].

圖4(c)和表1顯示lgfSyn與lgνp之間,對(duì)所有樣本均存在很好的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.41–0.79之間,隨機(jī)概率均小于0.0001. 圖4(d)和表1顯示CIC與lgνp之間: 對(duì)于總樣本(T)、FSRQ及LBL樣本,均存在好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為?0.65、?0.82和?0.73,隨機(jī)概率均小于0.0001;對(duì)于HBL,二者沒有相關(guān).

從圖4(c)的散點(diǎn)分布可以看出,隨著同步峰頻的升高,同步分量非線性增加.對(duì)于低峰頻(約小于1014.5Hz)源,隨著同步峰頻的增加,同步分量幾乎線性增加;但對(duì)于中、高峰頻(約大于1014.5Hz)源,隨著峰頻的升高,同步分量只是略有增加.從圖4(d)的散點(diǎn)分布可以看出,隨著同步峰頻的升高,逆康普頓成份分量值(CIC)非線性減小.對(duì)于低峰頻(約小于1014.5Hz)源,隨著同步峰頻的增加,代表逆康普頓成份的變量CIC幾乎線性減小;但對(duì)于中、高峰頻(約大于1014.5Hz)源,隨著同步峰頻的升高,CIC幾乎不變.雖然圖4(c)和圖4(d)中的散點(diǎn)分布形狀與所選用的拋物線函數(shù)有關(guān),但2圖的散點(diǎn)分布能夠反映出同步峰頻與同步分量及逆康普頓分量之間的變化關(guān)系.

6 結(jié)論

若用拋物線函數(shù)擬合耀變體的射電到X射線波段的譜能分布所得到的擬合線表示其輻射譜線,分析Fermi耀變體的X射線輻射,可得到以下結(jié)論:

(1)耀變體的X射線輻射包含同步輻射和逆康普頓輻射2個(gè)成份;若用拋物線函數(shù)擬合耀變體同步輻射(射電到X射線波段)譜能分布所得到的曲線表示其同步輻射譜,則拋物線函數(shù)擬合線可將X射線的同步輻射和逆康普頓輻射分開.

(2)對(duì)于FSRQ和LBL,逆康普頓成份多于同步輻射成份,而對(duì)于HBL,同步輻射成份多于逆康普頓輻射成份.高峰頻源有高的同步輻射成份和低的逆康普頓輻射成份,而低峰頻源有高的逆康普頓輻射成份和低的同步輻射成份.

(3)在X射線1 keV處,對(duì)于FSRQ、LBL和HBL,其同步輻射成份占總輻射的比例分別約為20%、30%和70%.

(4)同步峰頻與X射線1 keV處的觀測(cè)流量密度有正相關(guān)趨勢(shì),與同步輻射流量密度有強(qiáng)正相關(guān),而與逆康普頓輻射流量密度無相關(guān).

(5)LBL與FSRQ的X射線可能有類似的輻射機(jī)制.