AGN 子類的硬X 射線光變曲線功率譜冪率指數的分布差異?

張 燕，馬 力，楊 星，毛李勝，李 濤，龔云露，易庭豐

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南昆明 650500)

活動星系核(Active Galactic Nuclei，AGN)的中心是一個超大質量黑洞，黑洞周圍有一個吸積盤，在黑洞與吸積盤的共同作用下，產生準直性非常好且垂直于吸積盤的噴流，并產生從射電到伽馬射線波段的輻射。目前主流的理論認為，I型和II型活動星系核是從不同角度觀測的相同對象，假設中心黑洞被一團厚厚的塵埃環(huán)包圍，從塵埃環(huán)的側面觀測是II型活動星系核，從垂直于環(huán)面方向觀測是I型活動星系核，以上便是基于視角的統(tǒng)一模型，此模型有較明顯的各項異性[1]。因此，根據觀測視角的不同，在發(fā)射線、光度、連續(xù)光譜等方面也有所不同?；顒有窍岛舜笾驴煞譃槿ヌ匦窍?、類星體、射電星系、蝎虎座BL型天體等幾大類。隨著觀測技術的進步，對這幾大類又有了更加細致的劃分，例如按照視線方向的輻射是否被塵埃環(huán)吸收，塞弗特星系又分為I型塞弗特星系(Seyfert 1)和II型塞弗特星系(Seyfert 2)[2]。

活動星系核的一個獨特性質是在所有波段都存在光變，硬X射線的光變提供了活動星系核最里面區(qū)域的信息[3]?；顒有窍岛说挠瞂射線可以產生于吸積盤的熱冕中，即軟光子被盤上面的熱等離子體中的電子康普頓化[4-5]，活動星系核中的硬X射線的另一貢獻來自于噴流中的相對論性電子同步輻射和逆康普頓散射。在這兩種情況下，硬X射線的光變顯示出一些不同的特征[6-15]。

文[16]使用Swift/BAT 15～150 keV的數據，計算了30個活動星系核在硬X射線波段的功率譜密度，發(fā)現(xiàn)除了一個之外其他的功率譜可以用簡單的冪律進行很好的擬合[16]。本文利用Swift/BAT在硬X射線波段的數據對I型塞弗特星系、II型塞弗特星系、平譜射電類星體(Flat Spectrum Radio，F(xiàn)SRQ)、蝎虎天體的功率譜進行統(tǒng)計分析。通過擬合不同類型活動星系核的硬X射線功率譜密度得到其冪律指數，分析活動星系核不同子類之間冪率指數的分布差異，得到硬X射線光變曲線的功率譜密度特征與活動星系核子類有關。

1 數據樣本

本文主要的目標樣本來自Swift/BAT Hard X-ray Transient Monitor(https：//swift.gsfc.nasa.gov/results/transients/)，其中包含1019個源，硬X射線光變曲線有持續(xù)14年左右的數據，研究對象主要是活動星系核，所以從中選出了蝎虎天體、平譜射電類星體、I型塞弗特星系和II型塞弗特星系，該網站數據庫中的Quasar子類都是平譜射電類星體。平譜射電類星體和蝎虎天體都屬于活動星系核的子類耀變體，但是它們的吸積率以及寬線區(qū)都不一樣[17]，其X射線的產生機制可能不一樣，所以把它們分開研究。表1為這4個子類樣本個數。在這些活動星系核的光變曲線中，光子流量出現(xiàn)了負值，可能有這幾個原因：CCD的量子效應、熱噪聲和天光背景等。X射線光變曲線的功率譜冪律指數主要與光變的特征有關，因此，是否去除背景噪聲對本文的分析結果的影響可以忽略不計。

表1 樣本統(tǒng)計Table 1 Sample statistics

2 分析方法

對這些源的光變曲線進行快速傅里葉變換(Fast Fourier transform，F(xiàn)FT)，得到其功率譜如圖1(以NGC 1365為例)，再通過線性擬合得到每個源的冪律指數(α)，并對這些不同類型源的冪律指數進行統(tǒng)計分析，結果如圖2。

分別將活動星系核的4個子類的冪律指數統(tǒng)計分布圖進行比較：II型塞弗特星系(Sy2)和I型塞弗特星系(Sy1)，II型塞弗特星系和蝎虎天體，II型塞弗特星系和平譜射電類星體，I型塞弗特星系和蝎虎天體，I型塞弗特星系和平譜射電類星體，蝎虎天體和平譜射電類星體；再將各子類的冪律指數累積歸一化圖進行比較，其比較結果如圖2，左邊是冪律指數統(tǒng)計分布對比圖，右邊是冪律指數累積歸一化對比圖。

用柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫檢驗(Kolmogorov-Smirnov test，K-S test)判斷這兩種分布的差異性，結果如表2。

圖1 NGC 1365功率譜在對數坐標中的線性擬合，擬合所得斜率(slope)即冪律指數αFig.1 Linear fitting diagram of power spectrum of NGC 1365 in logarithmic coordinates，and the power law index(α)is a slope of fitting

圖2 第1、3列是冪律指數分布，第2、4列是累積概率分布Fig.2 The first and third columns are the power law index distributions for subclasses of AGNs，and the second and fourth columns are the cumulative probability distributions

表2 K-S檢驗結果Table 2 The result of K-S test

由以上結果可知，差異性非常顯著的有I型塞弗特星系和II型塞弗特星系、平譜射電類星體和II型塞弗特星系、蝎虎天體和II型塞弗特星系；差異性一般顯著的有蝎虎天體和平譜射電類星體；差異性不太顯著的有蝎虎天體和I型塞弗特星系、平譜射電類星體和I型塞弗特星系。

3 結論與討論

本文主要收集了381個活動星系核，對這些活動星系核的硬X射線觀測數據的光變曲線進行快速傅里葉變換分析，統(tǒng)計活動星系核各子類的功率譜冪律指數分布情況，用K-S檢驗判斷其差異顯著性，分析結果如表2，II型塞弗特星系這類有塵埃環(huán)遮擋的II型活動星系核與蝎虎天體、平譜射電類星體、I型塞弗特星系這類沒有塵埃環(huán)遮擋的I型活動星系核差異性顯著。

活動星系核的硬X射線輻射的能譜成份很復雜，主要有兩種可能的來源：(1)噴流，例如耀變體具有相對論性噴流且噴流視角較小，因此集束效應較強，觀測到的輻射主要來自于噴流；(2)吸積盤的內區(qū)及熱冕[18-19](例如塞弗特星系)。活動星系核的X射線輻射是噴流主導還是冕主導的，會呈現(xiàn)不同的輻射特征。實際觀測的硬X射線輻射流量多是兩者的混合，不同類型的活動星系核可能有不同的混合比例。塞弗特星系作為活動星系核的低光度子類，它的盤冕模型表明，吸積盤中的軟光子在冕區(qū)被熱康普頓散射而轉化為更高能量的X射線光子，這個過程很好地解釋了塞弗特星系的X射線光譜能用一個冪律譜擬合的現(xiàn)象。最近的研究也表明，活動星系核冕中的X射線輻射是中等程度各向異性的，這表明冕的形狀是兩極突出的長條形，并且伴有外流(速度約為0.3～0.5倍光速)[20]。I型塞弗特星系與II型塞弗特星系的X射線輻射的差異可能主要是因為冕的各向異性而不是塵埃環(huán)的吸收，I型塞弗特星系的硬X射線主要來自伴有外流的冕(Outflowing Coronae)[20]。在吸積率小于某個臨界值 (10-6倍愛丁頓吸積率)的低光度活動星系核的X射線輻射更可能來自噴流而不是徑移主導的吸積流(Advection-Dominated Accretion Flow，ADAF)[21]。根據活動星系核統(tǒng)一模型，一般而言，I型活動星系核的硬X射線輻射來自相對論性自噴流或者伴有外流的冕，具有各向異性；而II型活動星系核的硬X射線輻射來自吸積盤的熱冕，且有吸收。

因此，硬X射線光變曲線的功率譜冪律指數的分布差異可以這樣解釋：來自相對論性噴流或者外流冕的硬X射線因為多普勒效應而在統(tǒng)計上有更大的冪律指數(α)，而來自吸積盤熱冕的硬X射線冪律指數較小。可以把硬X射線光變冪律指數(α)的分布特征差異作為活動星系核I型和II型分類統(tǒng)計上的新判據。