1ES 1959+650多波段輻射特性*

徐懦，高全歸

(玉溪師范學院 物理系，云南 玉溪 653100)

1 引 言

1ES 1959+650是一個經(jīng)典的高峰頻BL Lac天體，其紅移z=0.047[1-2]，該源是最早探測到甚高能輻射的河外源之一[3].1ES 1959+650是一個各波段都非?；钴S的天體，尤其是X-射線波段和甚高能波段[4]，而高能波段的變化反而較弱[5].1ES 1959+650的另一個特別之處在于TeV能段的孤立耀發(fā)，2002年6月4日的一次TeV孤立耀發(fā)，其流量達到了之前流量的15倍[3].此外，MAGIC也在2009年5月和2012年6月兩次觀測到了1ES 1959+650的孤立TeV孤立耀發(fā).同時，觀測表明，除了15 GHz和R波段之間存在很弱的相關(guān)性外，其他各波段沒有相關(guān)性[4,6-7].

有很多模型能夠解釋1ES 1959+650的多波段輻射，這些模型可以簡單地分為輕子模型[4,8]和強子模型[9].但是，不同類型的模型會存在不同的輻射特性，本文將以含時的輕強子混合模型為基礎(chǔ)，研究1ES 1959+650的TeV孤立耀發(fā)及其光變特性.計算結(jié)果表明，1ES 1959+650的TeV孤立耀發(fā)主要由注入相對論質(zhì)子截斷能量的突然變大所導致.

2 1ES 1959+650的能譜分布

對于1ES 1959+650，由于各個波段沒有強相關(guān)性，因而X-射線和伽馬射線的輻射起源可能不一樣.本文采用文獻[10]的模型進行計算，該模型中，射電到X-射線波段的輻射主要來自相對論電子的同步輻射，而伽馬射線的輻射則來自相對論質(zhì)子的同步輻射，由于該模型為含時模型，因此允許利用該模型進行光變研究.關(guān)于模型的更詳細的情況見文獻[10]及其參考文獻.

模型參數(shù)包括電子注入致密度(le,inj)、譜指數(shù)(p)、注入電子的最小能量(γe,min)和截斷能量(γe,cut)、質(zhì)子的注入致密度(lp,inj)、譜指數(shù)(q)、注入質(zhì)子的最小能量(γp,min)和截斷能量(γp,cut)、輻射區(qū)半徑(R)、輻射區(qū)的多普勒因子(δD)和磁場(B).

圖1給出了1ES 1959+650低態(tài)時(MJD 56064)多波段觀測數(shù)據(jù)(圓點)與模型計算結(jié)果(實線).計算中參數(shù)取為：lp,inj=2.5×10-6，γp,min=5×105，γp,cut=6×109，q=2.5；le,inj=3×10-5，γe,min=3×103，γe,cut=1.8×104，p=2.5；B=65 G，R=1×1015cm，δD=25.模型的能譜分布(SED)采用文獻[11]的模型計算河外背景(EBL)吸收.

圖1 1ES 1959+650低態(tài)多波段能譜Fig.1 Multi-wavelength SED of 1ES 1959+650 in low state

3 孤立TeV耀發(fā)和光變曲線

315 GeV-30 TeV的一個孤立耀發(fā)于MJD 56067 被觀測到，但是在此期間并沒有觀測到0.1-300 GeV的明顯光變.為了考查甚高能光變的原因，在此取低態(tài)的擬合參數(shù)作為初始條件，接下來考慮三種情況：

(1)注入致密度lp,inj隨時間變化，這種情況下假設(shè)lp,inj(t)×106=2.5×v(t);

(2)截斷能量γp,cut隨時間變化，在此假設(shè)log10(γp,cut(t)/6.0)=9+v(t);

(3)注入致密度lp,inj和截斷能量γp,cut都隨時間變化，注入致密度lp,inj(t)和截斷能量γp,cut(t)隨時間的變化關(guān)系與情況(1)和(2)一致.

隨時間變化的函數(shù)

計算中取c0=1，由于甚高能段的輻射從低態(tài)到耀發(fā)態(tài)經(jīng)歷了大約3 d的時間，并且輻射相對于注入有延遲，因此本文中取正弦函數(shù)sin(ωt)的周期為10 d.除了注入致密度lp,inj和截斷能量γp,cut隨時間變化之外，其他參數(shù)和低態(tài)時的擬合參數(shù)取值一致.

圖2 1ES 1959+650高態(tài)多波段能譜Fig.2 Multi-wavelength SED of 1ES 1959+650 in high state

圖2給出了1ES 1959+650高態(tài)(MJD 56067)時多波段觀測數(shù)據(jù)(正方形點)與模型計算結(jié)果(線).圖中虛線表示參數(shù)lp,inj隨時間演化，實線表示參數(shù)γp,cut隨時間演化，虛點線表示參數(shù)γp,cut和lp,inj隨時間演化，即前述三種情況.模型的能譜分布(SED)采用文獻[11]的模型計算河外背景(EBL)吸收.計算結(jié)果表明，只有質(zhì)子注入致密度lp,inj隨時間演化時，模型不能很好地重建高態(tài)觀測譜，而質(zhì)子的最大注入能量γp,cut隨時間演化，或者兩者同時隨時間演化時，模型能夠較好地重建高態(tài)觀測譜.

圖3 2-10KeV(點線)、0.1-300GeV(虛線)和315GeV-30TeV(實線)的歸一化光變曲線Fig.3 Normalized light curves in 2-10 KeV (dotted line),0.1-300 GeV (dashed line) and 315 GeV-30 TeV(solid line)

圖3給出了2-10 KeV(該波段可以被Swift XRT觀測)、0.1-300 GeV(該波段由Fermi觀測)和315 GeV-30 TeV(該波段的觀測結(jié)果來自H.E.S.S.)的歸一化光變曲線的模擬,其中圖(a)對應(yīng)第一種情況(lp,inj隨時間變化)，圖(b)對應(yīng)第二種情況(γp,cut隨時間變化)，圖(c)對應(yīng)第三種情況(γp,cut和lp,inj都隨時間變化).由圖3可見，無論是截斷能量γp,cut還是注入致密度lp,inj隨時間變化，還是兩者都隨時間變化，都不會導致2-10 KeV波段明顯的光變，而注入致密度lp,inj隨時間變化，會給0.1-300 GeV和315 GeV-30 TeV兩個能段帶來相同的變化趨勢.只要截斷能量γp,cut發(fā)生明顯的改變，315 GeV-30 TeV能段就會發(fā)生明顯的光變，并且在這種情況下315 GeV-30 TeV能段的光變比0.1-300 GeV的光變劇烈的多.計算結(jié)果表明，315 GeV-30 TeV能段的光變主要由截斷能量γp,cut導致.

4 結(jié)論與討論

將含時的輕強子混合模型應(yīng)用于1ES 1959+650的低態(tài)(MJD 56064)和高態(tài)(MJD 56067)，并模擬光變曲線.計算結(jié)果表明，截斷能量γp,cut隨時間變化會使得315 GeV-30 TeV能段的流量發(fā)生劇烈變化，同時對其他能段的光變影響較小.特別地，截斷能量γp,cut隨時間變化幾乎不會對射電波段到X-射線波段的輻射流量帶來影響.計算結(jié)果還表明，1ES 1959+650的TeV孤立耀發(fā)起源于截斷能量γp,cut的突然增加.

需要指出的是，本文選用一個正弦函數(shù)來描述截斷能量γp,cut和注入致密度lp,inj隨時間的變化情況,這些物理量隨時間的變化情況也可能由一種線性函數(shù)[12]或指數(shù)函數(shù)[13]來描述，更復雜的光變也許需要更復雜的函數(shù)來表示，這些問題還需要進一步研究.