費米耀變體伽馬波段流量RMS與流量的關(guān)系及其分布特點

張燕， 馬力， 毛李勝， 楊星， 龔云露， 黃邦蓉， 易庭豐

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

耀變體是活動星系核(AGNs)的一個子類，其相對論噴流指向觀測者的視線[1];相對論噴流形成的機制還不清楚，但它很可能與完全電離的旋轉(zhuǎn)吸積盤的聚焦特性有關(guān)[2].耀變體包括蝎虎天體(BL Lacs)和平譜射電類星體(FSRQs)兩類，這兩類天體之間最顯著的差異是吸收線， FSRQs有強吸收線， BL Lacs只有弱吸收線甚至沒有吸收線[3].此外，它們在高能部分的輻射機制也有所不同；耀變體的能譜分布(SED)由兩個寬發(fā)射線成分組成，其中低能量成分通常源于噴流磁場中相對論電子相互作用產(chǎn)生的同步輻射，高能量成分源于逆康普頓散射過程，如果逆康普頓散射種子光子由噴流內(nèi)的電子同步輻射產(chǎn)生,則稱為同步自康普頓機制(SSC)[4-5]；如果種子光子來源于噴流外,例如寬線區(qū)、塵埃環(huán)和宇宙微波背景等,則這個過程稱為外康普頓機制(EC)[6-7]；FSRQs在高能部分的輻射主要是EC占主導(dǎo)，BL Lacs主要是SSC占主導(dǎo)[8-13].通過對耀變體在伽馬波段的光變曲線進(jìn)行時變分析，可以為了解噴流中的輻射過程提供一些線索.

近年來，在活動星系核和X射線雙星(XRBs)的光變曲線中都發(fā)現(xiàn)了流量RMS(Root Mean Square)的變化與流量存在線性關(guān)系[14-18]，并且很多天體的X射線流量分布呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布的形式[19-23]，這些特性排除了描述變化過程的許多類型的模型[24].Uttley提出的高斯隨機過程的指數(shù)變換可以很好地描述具有這些觀測特性的光變曲線[21].RMS與流量線性關(guān)系的存在意味著較短時間尺度的變化需要較長時間尺度上的調(diào)制，RMS變化的絕對振幅隨著平均流量線性增加,在某種意義上暗示了源越亮RMS變化就越大.而且這種線性關(guān)系可以在所有已知的BHXRB Cyg X-1的光譜狀態(tài)下觀察到,與功率譜密度(PSD)形狀無關(guān)，表明RMS與流量的線性關(guān)系是比PSD更加基本的變化特征[21]，因此可以通過RMS與流量的線性關(guān)系對耀變體進(jìn)行時變分析.

基于前人的研究，本文從第三期費米耀變體的1 773個源中選出235個受污染較小的源作為樣本，對其100 MeV-200 GeV伽馬波段光變數(shù)據(jù)進(jìn)行RMS與流量的相關(guān)性分析,對流量分布進(jìn)行對數(shù)正態(tài)擬合，將得到的線性擬合斜率、皮爾森系數(shù)和對數(shù)正態(tài)分布的寬度按FSRQs和BL Lacs兩類進(jìn)行統(tǒng)計分析.最后對一個未知類型的耀變體(BCUs)的RMS與流量的相關(guān)性情況和流量分布特征進(jìn)行了分析，并與已知類型的耀變體源聯(lián)系起來.

1 數(shù)據(jù)樣本

數(shù)據(jù)樣本來自費米大視場望遠(yuǎn)鏡提供的1 773個具有30天分辨率的第三期費米耀變體(The third catalog of AGNs detected by the Fermi-LAT,3LAC)在100 MeV-200 GeV的伽馬波段通過孔徑測光得到的光變數(shù)據(jù)(https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/data/access/lat/4yr_catalog/ap_lcs.php),這些數(shù)據(jù)沒有減去背景值，因此存在一些限制[25]，但對于分析流量的變化而言，并不會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.由于孔徑測光的方法會使被測源的光子數(shù)受到來自鄰近源和宇宙背景中其他光子的影響，為了使樣本數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確有效，在第三期費米耀變體的1 773個源中按照在該源附近3度范圍內(nèi)沒有其他源干擾和10度范圍內(nèi)沒有伽馬射線亮源(亮源的標(biāo)準(zhǔn)是其光子流量大于1×10-6cm-2·s-1)干擾的標(biāo)準(zhǔn)，選出了235個耀變體作為研究對象.其中包含73個BL Lacs，66 個FSRQs和96個BCUs.

2 分析方法及結(jié)果

RMS(Root Mean Square)是一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平方平均值的平方根，由N個數(shù)據(jù)點構(gòu)成的時間序列Xi的RMS定義為

表1 32個耀變體源的擬合情況

圖 2 FSRQs和BL Lacs的斜率、皮爾森系數(shù)和W的歸一化累計分布

表2 FSRQs和BL Lacs的斜率、皮爾森系數(shù)和W的K-S檢驗結(jié)果

表3 FSRQs和BL Lacs的斜率、皮爾森系數(shù)和W的統(tǒng)計平均值

為了說明將光變數(shù)據(jù)分組后,每組數(shù)據(jù)點的個數(shù)對統(tǒng)計結(jié)果的影響,將光變數(shù)據(jù)按5個數(shù)據(jù)點為一組分為24組(5 bin),分別求出每一組的RMS和平均流量值后做線性擬合得到斜率和皮爾森系數(shù).發(fā)現(xiàn)與10個數(shù)據(jù)點為一組(10 bin)的斜率和皮爾森系數(shù)成正比例關(guān)系，如圖3所示.由于10 bin和5 bin的斜率和皮爾森系數(shù)有很強的正相關(guān)性，統(tǒng)計平均值也會成比例的變化，所以并不影響FSRQs和BL Lacs關(guān)于斜率和皮爾森系數(shù)統(tǒng)計平均值之間的差異.

圖3 FSRQs和BL Lacs分別取10 bin和5 bin的RMS和流量線性擬合所得斜率和皮爾森系數(shù)的相關(guān)情況

3 對未知類型耀變體源的分析

在第三期費米數(shù)據(jù)的1 773個源中有超過500的源為未知類型的耀變體，即使這些源與河外源有聯(lián)系，并且具有耀變體的一些特征，但他們?nèi)鄙倩诠庾V信息的可靠分類.在這里，用RMS與流量的相關(guān)性情況和流量的分布情況對源J0532.0-4827的光變曲線進(jìn)行時變分析，將其光變數(shù)據(jù)按10個數(shù)據(jù)點為一組分為12組，求出每組的RMS和平均流量，做RMS和流量的相關(guān)性分析，得到的線性擬合斜率為0.76±0.07，皮爾森系數(shù)為0.97，對流量分布進(jìn)行對數(shù)正態(tài)擬合后得到的W值為0.23±0.02.根據(jù)得到的FSRQs和BL Lacs關(guān)于斜率、皮爾森系數(shù)和W值的統(tǒng)計平均值，由于0.76±0.07在0.52±0.60的范圍中，0.97更接近于0.61±0.34的范圍中，且0.23±0.02在0.15±0.11的范圍中，可以推測源J0532.0-4827屬于FSRQs.如圖4所示為J0532.0-4827的RMS和流量關(guān)系的線性擬合圖和流量分布的對數(shù)正態(tài)擬合圖.

圖4 源J0532.0-4827的RMS和流量的相關(guān)性擬合情況和流量的對數(shù)正態(tài)分布擬合情況

4 討論及小結(jié)

在AGNs和XRBs的光變曲線研究中都發(fā)現(xiàn)了RMS和流量的線性關(guān)系，這和脈沖噪聲模型所預(yù)言的穩(wěn)態(tài)功率譜不符合，如果脈沖參數(shù)的變化是RMS與流量的線性關(guān)系的原因，這就要求脈沖參數(shù)與RMS一樣要在所有時標(biāo)上都變化，這和脈沖模型的假設(shè)矛盾，因此標(biāo)準(zhǔn)的脈沖噪聲模型不能解釋RMS和流量的線性關(guān)系在很大范圍的時標(biāo)上都成立的情況.Uttley等人認(rèn)為光變曲線的變化存在大時標(biāo)變化和小時標(biāo)的變化，即存在大的、長時間尺度的變化，而短時標(biāo)變化是疊加在這些變化上的[14].

如果伽馬波段的光變曲線只是由單個脈沖隨機疊加而成的，RMS就不會隨流量變化[14]，但所研究的32個源有著很強的RMS和流量的線性關(guān)系，說明來自噴流的伽馬射線不是由脈沖隨機疊加而成的，光變曲線受到大時間尺度的調(diào)制，而短時標(biāo)變化是疊加在這些變化上的.

通過比較可以看出，F(xiàn)SRQs和BL Lacs的RMS和流量的相關(guān)性情況是不一樣的，F(xiàn)SRQs的RMS和流量的線性相關(guān)性比BL Lacs強，很可能是由于FSRQs和BL Lacs在高能部分的輻射過程不同引起的，由于FSRQs在高能部分的輻射是EC機制占主導(dǎo)的，可能是大量外光子參與逆康普頓散射過程導(dǎo)致流量越大變化越劇烈.

通過對BCU源3FGL J0532.0-4827的RMS和流量的相關(guān)性分析和流量的對數(shù)正態(tài)擬合，推測出該源屬于FSRQs，這和2018年Shah的推測是一致的[26].