高紅移耀變體4C 38.41光學(xué)多波段光變性質(zhì)?

張 妍 方 越 吳江華 戴 巖 孟南昆

(北京師范大學(xué)天文系北京 100875)

1 引言

耀變體(Blazar)是射電噪活動星系核(Active Galactic Nucleus,AGN)中特殊的一類,它的噴流方向與視線方向相接近[1],由于相對論的增亮效應(yīng),使得耀變體在高紅移處也能被觀測到.BL Lacertae天體(BL Lac)和平譜射電類星體(Flat Spectrum Radio Quasar,FSRQ)是耀變體的兩個子類,主要通過發(fā)射線的等值寬度予以區(qū)分.耀變體的輻射主要為覆蓋全電磁波段的非熱輻射,并且可以延展到超高能波段(其光子能量E >100 GeV)[2].耀變體最突出的特征是在不同波段以及時標(biāo)上都展現(xiàn)出極其劇烈的光變行為.研究耀變體光變特性的方法很多,主要包含分析其光變時標(biāo)、光變輪廓、譜變化、寬波段能譜分布(Spectral Energy Distribution,SED)變化及擬合、不同波段光變間的相關(guān)性以及這些分析所蘊含的中心物理結(jié)構(gòu)和過程.其中光變時標(biāo)包含3種,分別是:天內(nèi)光變或微光變(小于1 d);短時標(biāo)光變(幾天到幾個月)和長時標(biāo)光變(幾個月到幾年)[3–5].其中天內(nèi)光變對研究耀變體最內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物理過程具有重要作用.此外,流量變化往往伴隨著能譜變化,越來越多的證據(jù)表明耀變體的不同子類展現(xiàn)出不同的顏色行為[6–8].BL Lac通常展現(xiàn)越亮越藍行為,而部分FSRQ展現(xiàn)越亮越紅行為.對于相同的源在不同光變時標(biāo)以及不同時期(處于爆發(fā)態(tài)或?qū)庫o態(tài)),其顏色行為也可能不相同.由此可見,雖然耀變體在過去被廣泛研究,但是它依然有很多問題并不清楚.并且由于先前望遠鏡性能的限制,對于高紅移耀變體的研究很少,尤其在光學(xué)波段.

如今,越來越多的高紅移耀變體在各個波段被高性能望遠鏡探測到.近期許多研究表明高紅移耀變體中心存在著超大質(zhì)量黑洞以及亮度很高的吸積盤[9],這也使得高紅移耀變體成為研究超大質(zhì)量黑洞演化以及吸積盤-噴流相互作用的重要天體之一[10].而通過比較高紅移與低紅移耀變體的光變特性可以了解這兩者之間是否存在差別和演化關(guān)系,并且研究高紅移耀變體的光變行為可以更好地理解耀變體的本質(zhì).但實際上,關(guān)于高紅移耀變體的研究工作并不多,光學(xué)波段的系統(tǒng)監(jiān)測很少.因此我們挑選了一批星等低于18.00等的高紅移耀變體進行多光學(xué)波段的監(jiān)測,這里報告的是對4C 38.41這顆源光變的觀測和分析結(jié)果.4C 38.41是一顆FSRQ,也是最強γ射線源之一[11],它的紅移為1.813[12].它因劇烈的光學(xué)流量變化而被分類為快速大幅度光變類星體(Optically Violent Variable,OVV)[13],Volonteri等[14]在2004–2010年對其R波段進行觀測,他們發(fā)現(xiàn)4C 38.41在天內(nèi)時標(biāo)下的星等變化小于0.10–0.20等,但在幾十天的光變時標(biāo)下它的變化幅度會更明顯.Hagen-Thorn等[15]也發(fā)現(xiàn)2006–2017年期間,其在光學(xué)波段存在多次強烈的爆發(fā),并且流量變化達到5–10倍,他們在天內(nèi)時標(biāo)下探測到R波段存在一個快速增亮的過程,R波段的星等在1 h之內(nèi)變化了0.30等.上述研究表明4C 38.41在光學(xué)波段活動性很強,因此很適合研究其在不同光變時標(biāo)下的光學(xué)多波段光變特性以及顏色變化,并且分析不同波段之間是否存在時延.

2 觀測與數(shù)據(jù)分析

我們利用國家天文臺興隆觀測基地的85 cm反射望遠鏡對高紅移耀變體4C 38.41進行了光學(xué)V和R波段觀測,觀測從2018年2月22日持續(xù)到2018年2月26日,共5晚.在觀測期間,交替使用標(biāo)準(zhǔn)Johnson-Cousins V、R濾光片以保證兩個波段的準(zhǔn)同時性.根據(jù)每晚目標(biāo)源在兩個波段的視星等,2018年2月23日和2018年2月24日這兩晚V和R波段的曝光時間均為180 s,由于天氣原因其余幾晚V和R波段的曝光時間均為300 s.我們利用較差測光和孔徑測光方法,并使用IRAF軟件1IRAF is distributed by the National Optical Astronomy Observatories,which are operated by the Association of Universities for Research in Astronomy,Inc.,under cooperative agreement with the National Science Foundation.處理數(shù)據(jù)得到光變曲線,每個數(shù)據(jù)點的測光誤差由IRAF給出.我們選擇證認圖2https://www.lsw.uni-heidelberg.de/projects/extragalactic/charts/1633+382.html中的A和B作為比較星來計算目標(biāo)源的較差星等,C作為校驗星,如圖1所示,它們的星等由Villata等[16]給出.我們選取1.5到2.5倍半峰全寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)作為孔徑大小進行測光,并計算每晚校驗星星等的標(biāo)準(zhǔn)差,標(biāo)準(zhǔn)差的最小值所對應(yīng)的孔徑即為最佳孔徑.為了防止測光數(shù)據(jù)中出現(xiàn)壞點,我們刪除了校驗星星等偏離當(dāng)晚平均值3σ以上的數(shù)據(jù)點,σ為校驗星星等的標(biāo)準(zhǔn)差.圖2和圖3分別給出了4C 38.41的V和R波段的天內(nèi)光變曲線(R、V分別為R和V波段星等)和其在整個觀測期間的光變曲線,其中橫坐標(biāo)為儒略日(Julian Date,JD),時間起點JD 2458170為2018年2月20日12點00分,縱坐標(biāo)為V和R波段的星等值.為了更好地顯示光變細節(jié),圖2中R波段的光變曲線向下平移了0.35星等,圖3中R波段的光變曲線向下平移了0.20星等.我們利用歸一化F檢驗方法[17]來檢驗4C 38.41在每個觀測夜是否存在天內(nèi)光變,歸一化F參數(shù)定義為:

其中歸一化因子κ定義為耀變體光變曲線測光誤差的均方差以及比較星光變曲線測光誤差的均方差之比,分別是耀變體與比較星和比較星與校驗星光變曲線的方差.根據(jù)臨界值Fc(0.99)、Fc(0.95)與計算得到的F值大小比較,檢驗結(jié)果可分為3類:光變(V,F≥Fc(0.99)),沒有光變(NV,F≤Fc(0.95)),可能光變(PV,Fc(0.95)

表1 天內(nèi)光變的結(jié)果Table 1 Results of IDV (Intra-day Variability)test

其中Amax和Amin分別為每晚目標(biāo)源星等的最大值和最小值.

對于存在天內(nèi)光變的數(shù)據(jù),我們還研究了4C 38.41色指數(shù)(V-R)與R波段星等(R)間的關(guān)系,擬合結(jié)果見表2和圖4.此外我們還計算了4C 38.41的V和R波段光變之間的相關(guān)性和時延.我們采用基于插值互相關(guān)函數(shù)原理(Interpolated Cross Correlation Function,ICCF)的python代碼pyCCF[19],ICCF通過對光變曲線進行線性插值并平移,利用馬爾科夫鏈蒙特卡羅方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)計算平移后兩條光變曲線的相關(guān)性來確定時延,我們設(shè)定若相關(guān)性系數(shù)r <0.5,則判定MCMC運行失敗.由于數(shù)據(jù)點較少,我們還采用Just Another Vehicle for Estimating Lags In Nuclei程序(簡稱JAVELIN)[20]測時延,該方法假設(shè)耀變體光變滿足阻尼隨機游走模型[21–22],通過頂帽變換方程對兩條光變曲線進行擬合,利用MCMC確定時延分布以及不確定性.上述兩種方法我們都運行了10000次MCMC.為了檢驗兩種方法計算得到的時延結(jié)果的準(zhǔn)確性,我們將R波段光變曲線平移,其平移量為測得的時延,并與V波段的光變曲線進行相關(guān)性分析,時延分析結(jié)果見表3.

表3 利用ICCF和JAVELIN方法得到的V、R波段時延Table 3 Time lags between the V and R bands from ICCF and JAVELIN analysis

表2 色指數(shù)-星等相關(guān)性結(jié)果Table 2 Colour-magnitude correlation

3 結(jié)果

結(jié)合圖2與表1可以看出,對于R波段的數(shù)據(jù),有4晚探測到了天內(nèi)光變,其中2018年2月24日這天為可能光變.而V波段的流量變化相對較弱,有3晚探測到天內(nèi)光變,其中2018年2月25日這天為可能光變.V和R波段在2018年2月22日這天均未探測到天內(nèi)光變,這可能是由于觀測時長相對較短.2018年2月23日到2018年2月25日這3個晚上V和R波段的光變曲線都展現(xiàn)出較小的波動,總體為下降趨勢,而在2018年2月26日這天V和R波段光變曲線為單調(diào)上升趨勢,這兩個波段的星等在3 h內(nèi)變化了大約0.10等,變化幅度分別是11.3%和11.7%.從圖3可以看出,在整個觀測期間4C 38.41在V和R波段光變曲線整體呈現(xiàn)波動的狀態(tài),V波段星等峰值約為16.43等,R波段星等峰值為16.08等,這一星等值比Raiteri等[23]在2012年的觀測結(jié)果要暗,說明4C 38.41處于較弱的活動期.4C 38.41在觀測期間V和R波段星等值變化約為0.20等,整體的光變幅度分別是19.0%和19.6%.

對于存在天內(nèi)光變的晚上,我們還研究了色指數(shù)與星等的相關(guān)性,在天內(nèi)光變時標(biāo)下,其色指數(shù)與星等為負相關(guān),然而P值都大于0.05,說明顯著性較弱.在整個觀測期間這兩者也展現(xiàn)出負相關(guān),P值小于0.05,而相關(guān)系數(shù)r為?0.125,相關(guān)性較弱.在2018年2月26日這天V和R波段均探測到了光變,但4C 38.41展現(xiàn)出復(fù)雜的顏色行為,從圖4中可以看到,色指數(shù)與星等之間的關(guān)系展現(xiàn)出v字形,4C 38.41首先展現(xiàn)越亮越紅行為,然后又轉(zhuǎn)變?yōu)樵搅猎剿{行為.

此外,我們還研究4C 38.41的V和R波段光變之間的相關(guān)性和時延,從表3可以看出,ICCF和JAVELIN方法得到的4C 38.41的時延結(jié)果基本一致.其中2018年2月23日這天兩種方法測出的時延相差較小,對于ICCF我們做了10000次MCMC,失敗率僅為17/10000,說明該方法得到的結(jié)果可靠.從相關(guān)性分析結(jié)果來看,這兩種方法的P值都遠遠小于0.01,說明相關(guān)性顯著,這兩種方法得到的時延結(jié)果可靠.這天時延數(shù)值為正值,說明4C 38.41的V波段變化領(lǐng)先于R波段的變化.對于2018年2月25日這天V和R之間的時延分析,ICCF和JAVELIN方法得到的時延數(shù)值分別為?min和?min,對于ICCF,10000次MCMC的失敗率為1557/10000,說明該方法得到的時延結(jié)果較為可靠.從表3中可以看到,其相關(guān)性分析中的P值較大,說明相關(guān)關(guān)系較弱,這兩種方法得到的時延結(jié)果置信度較低,可能是由于這天V波段的光變曲線誤差較大,F檢驗結(jié)果為可能光變,影響了時延分析的結(jié)果.2018年2月26日這天ICCF計算得到的數(shù)值近似為0,JAVELIN得到的數(shù)值為,對于ICCF,10000次MCMC的失敗率為6657/10000,說明該方法得到的時延結(jié)果并不可靠,但從相關(guān)性分析可知,P值遠遠小于0.01,說明這兩種方法得到的時延置信度很高.產(chǎn)生這種分歧是由于2018年2月26日這天V和R波段的光變曲線都呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢,沒有其他特征,而我們用到的兩種相關(guān)性分析方法主要依靠光變曲線特征來判斷時延,因此不管其中一條光變曲線橫向平移多少,總能計算得到兩個波段光變之間的一個時延值且相關(guān)性會非常好,但如前所述,MCMC失敗率較高決定了結(jié)果并不可信.

4 討論

我們從2018年2月22日至2018年2月26日對4C 38.41進行光學(xué)V和R波段準(zhǔn)同時觀測,共計5晚,研究它在不同時標(biāo)下的光變特性.從圖2可以看出,4C 38.41在天內(nèi)光變時標(biāo)下V和R波段的光變曲線都展現(xiàn)出較小的波動,只有最后一晚展現(xiàn)出明顯的單調(diào)上升行為.不同時標(biāo)下耀變體的光變行為往往用噴流模型解釋,這是由于耀變體的輻射主要為多普勒增亮噴流發(fā)出的非熱輻射.關(guān)于天內(nèi)光變的解釋模型主要與噴流中粒子加速與能量損失相關(guān),例如噴流中的激波模型[24]和磁重聯(lián)[25].在2018年2月26日這天,V和R波段的光變曲線都呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢,這可能是由于激波內(nèi)小尺度穩(wěn)態(tài)等離子體對粒子的加速作用,且加速時間大于粒子穿過該區(qū)域的時間[26].而當(dāng)激波通過噴流內(nèi)的非均勻介質(zhì),它就會產(chǎn)生前3 d觀測到的4C 38.41光變曲線中的微小波動.除此之外,天內(nèi)光變也可能是由于團塊沿著一個彎曲的噴流或沿螺旋形的磁力線運動從而產(chǎn)生一個變化的多普勒因子所導(dǎo)致的,當(dāng)噴流與視線方向一致時,流量就會顯著增加,這種模型有時用來解釋一些準(zhǔn)周期性的光變現(xiàn)象.研究表明FSRQ部分輻射可能來源于一個薄的并且未對齊的吸積盤,這會使得噴流中的粒子分布不均勻,因此會產(chǎn)生一個進動的噴流[27].Algaba等[28]發(fā)現(xiàn)4C 38.41中最內(nèi)部的噴流運動是正弦曲線,這可能是由于噴流螺旋進動或Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性產(chǎn)生的.然而上述這些假說都不能解釋我們此次探測到的4C 38.41的V、R波段之間的時延.由于B、V、R、I波段十分靠近,因此大多數(shù)耀變體的光學(xué)光變研究并未探測出時延,這種情況下可以將它們視為來源于同一個輻射區(qū)域.而對于探測到的光學(xué)波段間的時延可以用多輻射區(qū)域模型解釋,Xu等[29]基于Marscher等[30]提出的隨機同步輻射小結(jié)構(gòu)模型解釋S5 0716+714的微光變行為,他們認為耀變體光學(xué)波段的爆發(fā)是由噴流中的大量湍流共同作用產(chǎn)生的,這些湍流具有不同的大小、密度和磁場強度.他們發(fā)現(xiàn)時延與粒子加速時標(biāo)和冷卻時標(biāo)的比值相關(guān),并且計算出V和R波段微光變之間的時延為min,這一結(jié)果與我們在2018年2月23日觀測到的V和R波段間的時延結(jié)果相近.

我們還研究4C 38.41在不同光變時標(biāo)下色指數(shù)與R波段星等之間的相關(guān)性,結(jié)果表明在不同時標(biāo)下,4C 38.41均展現(xiàn)出弱的越亮越紅行為.越來越多的觀測證據(jù)表明FSRQ通常展現(xiàn)出越亮越紅行為,而BL Lac展現(xiàn)越亮越藍行為[7,31].近期很多研究表明,當(dāng)耀變體處于較低活動性時會展現(xiàn)出越亮越紅行為[8,32].一般而言,耀變體光學(xué)波段的輻射主要包含多普勒增亮噴流和吸積盤輻射兩部分,當(dāng)有著較紅光譜的噴流輻射超過有著較藍光譜的吸積盤輻射時,耀變體會呈現(xiàn)越亮越紅行為,反之,則出現(xiàn)越亮越藍行為[33].先前有關(guān)高紅移耀變體的噴流功率與吸積盤光度的相關(guān)性研究表明噴流功率要大于吸積盤光度,并且這些耀變體往往位于噴流功率與吸積盤光度的相關(guān)性圖的高能端[34–36],這也是導(dǎo)致高紅移耀變體產(chǎn)生越亮越紅行為的原因之一.值得注意的是在2018年2月26日這天V和R波段的光變曲線都呈現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢,但4C 38.41展現(xiàn)出復(fù)雜的顏色行為,色指數(shù)與星等之間的關(guān)系展現(xiàn)出v字形,即4C 38.41首先展現(xiàn)越亮越紅行為,然后轉(zhuǎn)變?yōu)樵搅猎剿{行為.Isler等[37]在研究3C 279光學(xué)-紅外長周期光變時發(fā)現(xiàn)在3C 279爆發(fā)期間,其短周期顏色行為從越亮越紅轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色行為到越亮越藍,時標(biāo)為幾十到幾百天,他們認為耀變體顏色行為的差異主要與光學(xué)波段輻射為多普勒增亮噴流成分和吸積盤成分的混合相關(guān).因此這種v字形的顏色行為可能說明此時4C 38.41的輻射由吸積盤主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閲娏髦鲗?dǎo).此外Ikejiri等[38]分析了42顆耀變體光學(xué)-近紅外波段的光變特性,發(fā)現(xiàn)耀變體在發(fā)生短周期的爆發(fā)時,往往表現(xiàn)出譜遲滯現(xiàn)象,光譜顏色在增亮階段要比變暗階段更藍.他們認為這是由于存在兩種具有不同時標(biāo)和顏色的光變成分,一種為紅色的長時標(biāo)爆發(fā)成分,另一種為藍色的短時標(biāo)爆發(fā)成分.從圖3可以看出4C 38.41先在2018年2月25日這天慢慢變暗,這天4C 38.41展現(xiàn)出越亮越紅行為,而2018年2月26日這天迅速增亮,此時藍色的短時標(biāo)爆發(fā)成分慢慢增多,最終覆蓋了紅色的長時標(biāo)爆發(fā)成分,成為輻射的主導(dǎo)成分,因此4C 38.41由原先的越亮越紅行為轉(zhuǎn)變?yōu)樵搅猎剿{行為.

5 結(jié)論

我們從2018年2月22日至2018年2月26日對4C 38.41進行光學(xué)V和R波段觀測,共計5晚,研究它在不同時標(biāo)下的光變特性,結(jié)論如下:

(1)在觀測期間4C 38.41處于較弱的活動期,V和R波段星等值變化約為0.20等,對于R波段的數(shù)據(jù),有4晚探測到了天內(nèi)光變,其中2018年2月24日這天為可能光變.而V波段的流量變化相對較弱,有3晚探測到天內(nèi)光變,其中2018年2月25日這天為可能光變;

(2)在不同時標(biāo)下,4C 38.41均展現(xiàn)出越亮越紅行為,在2018年2月26日這天,4C 38.41的顏色-星等圖呈現(xiàn)出v字形,這可能是由該源的輻射在吸積盤主導(dǎo)和噴流主導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換造成的;

(3)在2018年2月23日這天探測到了V、R波段之間的時延,4C 38.41的V波段變化領(lǐng)先于R波段的變化,這是首次在高紅移耀變體中探測到不同光學(xué)波段光變之間的時延,可以用隨機同步輻射小結(jié)構(gòu)模型來解釋.