費(fèi)米耀變體噴流功率與多波段光度的相關(guān)性研究*

馬凱旋，張皓晶，晏培琳，陸 林，張 歡

(1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南省高校高能天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

活動星系核(Active Galactic Nucleus, AGN)是非常特殊的一類河外高光度輻射、高偏振、超大質(zhì)量中心黑洞的源，其寄主星系稱為活動星系[1]。耀變體是活動星系核中的一個(gè)極端子類，它具有快速大幅光變、視超光速運(yùn)動等特性[2]。根據(jù)弱發(fā)射線等值寬度(Equivalent Width, EW)不同，耀變體可分為蝎虎天體(EW< 0.5 nm) 和平譜射電類星體(EW> 0.5 nm)。一般認(rèn)為，耀變體的噴流視角較小，幾乎正面指向觀測者[3]。噴流的形成機(jī)制一直是天體物理中懸而未決的問題[4]，解釋噴流起源問題的模型有許多，其中，噴流通過黑洞吸積釋放盤的重力勢能(Blandford-Payne, BP過程[5])模型和通過提取黑洞的轉(zhuǎn)動能(Blandford & Znajek, BZ過程[6])模型應(yīng)用最為廣泛。

耀變體的寬帶能譜分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為低能峰是由噴流內(nèi)部相對論性電子在磁場中同步輻射產(chǎn)生，但高能峰的產(chǎn)生機(jī)制仍存在很大的爭議：輕子模型認(rèn)為高能輻射是由相對論電子(正電子)逆康普頓散射軟光子產(chǎn)生[7]；強(qiáng)子模型則認(rèn)為高能輻射是由相對論性質(zhì)子的同步輻射、質(zhì)子誘發(fā)級聯(lián)過程或質(zhì)子核碰撞過程等產(chǎn)生[8-10]。輕子模型根據(jù)軟光子的來源不同又可以分為兩類[11]：(1)軟光子由相對論電子同步輻射產(chǎn)生，稱為同步自康普頓模型(Synchrotron self Compton, SSC)[12-13]；(2)軟光子來自噴流外部，可能的來源有寬線區(qū)、塵埃環(huán)和吸積盤，稱為外康普頓模型(EC)[14-16]。

因?yàn)閲娏髟谝凅w的輻射中扮演重要的角色，對噴流的相關(guān)研究能夠加深我們對耀變體的輻射、吸積等物理本質(zhì)的理解。本文通過對噴流功率與耀變體多波段光度的相關(guān)性研究，探討了耀變體的吸積模式、噴流的輻射機(jī)制等問題。

1 樣本選擇

1.1 單色光度統(tǒng)計(jì)樣本的選擇

文[17]使用最小二乘法通過公式

log(vFv)=P1(logv-P2)2+P3

(1)

1.2 噴流功率統(tǒng)計(jì)樣本的選擇

值得注意的是，考慮到耀變體具有快速光變這一特性，上述兩類數(shù)據(jù)最好使用同時(shí)性的觀測數(shù)據(jù)，但是這對于大樣本并不容易實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文的分析結(jié)果仍然具有一定的統(tǒng)計(jì)意義。本文樣本的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，每一列分別表示：(1)3FGL名稱；(2)紅移z；(3)分類，F(xiàn)表示平譜射電類星體，B表示蝎虎天體；(4)射電波段光度；(5)光學(xué)波段光度；(6)X射線光度；(7)γ射線光度((4)，(5)，(6)和(7)數(shù)據(jù)引用自文[17])；(8)噴流功率(數(shù)據(jù)引用自文[21])。為了減少篇幅，表1僅給出部分?jǐn)?shù)據(jù)，全表數(shù)據(jù)可找作者索取。

表1 耀變體樣本Table 1 Sample of Blazars

2 結(jié)果分析

2.1 多波段光度的分布

文[17]研究了各波段光度之間的相關(guān)性，但是并沒有直觀地研究光度的分布，于是我們利用篩選的數(shù)據(jù)分別研究了215個(gè)平譜射電類星體和227個(gè)蝎虎天體的各波段光度的分布，見圖1、圖2。

圖1為平譜射電類星體各個(gè)波段的光度分布情況，并用高斯分布進(jìn)行了擬合。圖中橫坐標(biāo)表示取對數(shù)后的光度，單位是erg·s-1，縱坐標(biāo)表示數(shù)據(jù)的樣本數(shù)。平譜射電類星體的射電波段、光學(xué)波段、X射線以及γ射線光度分別由棕色、綠色、紫色和黃色的條形表示，他們分別分布在41.46～44.78 erg·s-1，43.96～47.54 erg·s-1，42.87～46.89 erg·s-1以及43.75～48.01 erg·s-1的范圍內(nèi)，平均值分別為43.45 erg·s-1，45.77 erg·s-1，45.05 erg·s-1和46.26 erg·s-1。即光度分布按從大到小的順序?yàn)閘ogLγ> logLO> logLX> logLR，這一點(diǎn)也可以從圖中看出。

圖2是蝎虎天體各個(gè)波段的光度分布情況，圖中的坐標(biāo)與符號標(biāo)記與圖1相同。蝎虎天體的射電波段、光學(xué)波段、X射線以及γ射線光度分別分布在36.43～44.14 erg·s-1，40.17～47.47 erg·s-1，39.38～47.07 erg·s-1以及39.23～47.28 erg·s-1的范圍內(nèi)，平均值分別為41.60 erg·s-1，45.04 erg·s-1，44.32 erg·s-1和44.70 erg·s-1。與平譜射電類星體不同，蝎虎天體的光度分布按從大到小的順序?yàn)閘ogLO> logLγ> logLX> logLR。

圖1 平譜射電類星體的光度分布Fig.1 The luminosity distribution of FSRQs

圖2 蝎虎天體的光度分布Fig.2 The luminosity distribution of BL Lacs

從圖1和圖2可以看出，平譜射電類星體與蝎虎天體的光度分布有很大不同，并且整體上平譜射電類星體在各波段的光度都比蝎虎天體的大，再結(jié)合文[21]中圖4，平譜射電類星體整體的噴流功率比蝎虎天體的大。我們認(rèn)為這些差異可能是因?yàn)槠阶V射電類星體與蝎虎天體的內(nèi)稟屬性不同導(dǎo)致的。即平譜射電類星體應(yīng)該處于耀變體演化序列的更早期，相比于蝎虎天體，它的中心黑洞周圍的吸積物質(zhì)更多，吸積活動也更強(qiáng)，對應(yīng)著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的冷吸積盤，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的光度和噴流強(qiáng)度。蝎虎天體的弱吸積活動對應(yīng)的吸積模式稱為徑移主導(dǎo)吸積流[24]，這與之前的研究結(jié)果一致[25-26]。

2.2 噴流功率與多波段光度的相關(guān)性分析

我們研究了噴流功率與多波段光度的相關(guān)性，采用最小二乘法利用方程Y=aX+b進(jìn)行線性擬合，X代表噴流功率，Y代表光度，a為斜率，b為截距。

圖3顯示了耀變體噴流功率和射電波段光度關(guān)系的線性擬合，橫坐標(biāo)為取對數(shù)后的噴流功率，縱坐標(biāo)為取對數(shù)后耀變體的射電波段光度。綠色空心圓表示平譜射電類星體，紅色實(shí)心圓表示蝎虎天體，綠色短劃線、紅色點(diǎn)線以及黑色實(shí)線分別表示平譜射電類星體、蝎虎天體和耀變體整體的噴流功率與射電光度的線性擬合。從圖3可以看出，耀變體整體、平譜射電類星體和蝎虎天體的噴流功率和射電光度的相關(guān)性略有不同，但是都非常好。它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.78(N=442)，0.72(N=215)和0.81(N=227)，置信概率P均小于10-4。

圖4是耀變體噴流功率和光學(xué)波段光度關(guān)系的線性擬合，橫坐標(biāo)與擬合線表示與圖3相同，縱坐標(biāo)為取對數(shù)后耀變體的X射線光度，不同的是用綠色空心三角形表示平譜射電類星體,紅色實(shí)心三角形表示蝎虎天體。由圖4同樣可以看出，耀變體整體、平譜射電類星體和蝎虎天體的噴流功率與光學(xué)波段光度的相關(guān)性也比較好。他們的相關(guān)系數(shù)分別為0.64(N=442)，0.52(N=215)和0.60(N=227)，置信概率P均小于10-4。

圖3 噴流功率與射電波段光度的關(guān)系

圖4 噴流功率與光學(xué)波段光度的關(guān)系

圖5是耀變體噴流功率和X射線光度關(guān)系的線性擬合，橫坐標(biāo)和擬合線表示與圖3相同，縱坐標(biāo)為取對數(shù)后耀變體的光學(xué)波段光度。綠色空心菱形表示平譜射電類星體，紅色實(shí)心菱形表示蝎虎天體。由圖5可以看出，耀變體整體、平譜射電類星體的噴流功率與X射線光度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，但是蝎虎天體的噴流功率與X射線光度只有弱相關(guān)。相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.39(N=442)，0.64(N=215)和0.20(N=227)。耀變體整體及平譜射電類星體的擬合結(jié)果的置信概率P均小于10-4，蝎虎天體的置信概率P為0.002 7。

圖5 噴流功率與X射線光度的關(guān)系

圖6是耀變體噴流功率和γ射線光度關(guān)系的線性擬合。橫坐標(biāo)和擬合線表示與圖3相同，縱坐標(biāo)為取對數(shù)后耀變體的γ射線光度。綠色空心星型表示平譜射電類星體，紅色實(shí)心星型表示蝎虎天體。與射電波段光度和光學(xué)波段光度類似，γ射線光度與噴流功率也具有強(qiáng)相關(guān)。耀變體整體、平譜射電類星體和蝎虎天體對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.71(N=442)，0.58(N=215)和0.70(N=227)，置信概率P均小于10-4。

圖6 噴流功率與γ射線光度的關(guān)系

噴流功率與光度線性擬合的結(jié)果見表2，其中樣本類型為sample；N為樣本中源的數(shù)目；a為線性擬合時(shí)回歸方程的斜率；b為截距；r為相關(guān)系數(shù)；P為置信概率。

3 討 論

通過噴流功率與多波段光度的相關(guān)性分析，我們發(fā)現(xiàn)：

(1)平譜射電類星體的多波段光度整體大于蝎虎天體，且兩者各自的光度分布順序不同。這可能跟兩類耀變體的演化時(shí)期、吸積模式以及噴流輻射機(jī)制有關(guān)。

(2)對于耀變體整體和它的兩個(gè)子類，噴流功率與射電波段光度、噴流功率與γ射線光度以及噴流功率與光學(xué)波段光度的相關(guān)性都很強(qiáng)，其中，噴流功率與射電波段光度、噴流功率與γ射線光度擬合線的斜率接近1。這表明射電輻射與γ射線輻射機(jī)制可能是高度相關(guān)的，并且它們的產(chǎn)生可能主要來源于噴流輻射。在文[27]和文[28]中，作者研究了寬線區(qū)光度與多波段光度的關(guān)系，并用γ射線光度表征噴流的強(qiáng)度來說明噴流-吸積盤的關(guān)系，本文的研究結(jié)果支持他們的觀點(diǎn)。

(3)對于噴流功率與X射線光度的相關(guān)性分析，在平譜射電類星體中兩者有強(qiáng)相關(guān)性，在蝎虎天體中卻只有弱相關(guān)性。我們認(rèn)為造成這樣的結(jié)果可能有幾種原因：①在蝎虎天體中一部分X射線產(chǎn)生于同步輻射過程的末端，一部分X射線產(chǎn)生于同步自康普頓過程的開端，這對X射線的分布造成了較大離散；②由于蝎虎天體處于演化的晚期，其黑洞周圍的吸積物質(zhì)較少，通過外康普頓過程產(chǎn)生的X射線較少，從而導(dǎo)致與噴流功率的相關(guān)性較弱。

致謝：本文中所用的主要數(shù)據(jù)：多波段光度引用自文[17]，噴流功率引用自文[21]，在此我們感謝兩位作者提供的數(shù)據(jù)幫助。