TeV耀變體在光學和γ射線波段的相關(guān)性研究

張 順，易庭豐*，魯 赫，陳雨潼，王 亮，王 娜，普治元，董 亮

(1. 云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500；2. 廣西相對論天體物理重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 云南省中馬HF-VHF先進射電天文技術(shù)國際聯(lián)合實驗室，云南 昆明 650216)

耀變體是活動星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)中的一類，其相對論性噴流幾乎指向地球(角度≤10°)[1]，具有全電磁譜的輻射。根據(jù)不同的分類條件，我們可以將耀變體分為不同的類型：按光學或者紅外光譜中是否存在發(fā)射線，耀變體可以分為平譜射電類星體(Flat-Spectrum Radio Quasar, FSRQ)和蝎虎座BL型天體(BL Lac)[2]，其中蝎虎座BL型天體只存在一些微弱的發(fā)射線，甚至沒有發(fā)射線，但是卻輻射很強的X射線和γ射線；按同步峰峰值頻率劃分，又可以分為高峰頻耀變體(High Synchrotron Peaked Blazars, HSP)、中峰頻耀變體(Intermediate Synchrotron Peaked Blazars, ISP)和低峰頻耀變體(Low Synchrotron Peaked Blazars, LSP)。

耀變體輻射的頻率幾乎覆蓋整個電磁頻段，目前普遍認為低能光子來自于噴流中電子的同步輻射，而高能光子的來源還存在爭議。學者提出了不同的物理過程進行解釋：(1)輕子模型認為，高能光子與低能光子是由同一電子集群產(chǎn)生的，即高能光子由電子通過逆康普頓散射(Inverse-Compton Scattering, ISC)將同步輻射光子加速到高能[3]，這種輻射稱為同步自康普頓輻射(Synchrotron Self-Compton, SSC)；(2)強子模型則認為高能波段的光子是由于質(zhì)子同步輻射引起的[4]。在輕子模型中，相對論性電子集群沿著噴流的方向進行，高能輻射與低能輻射幾乎發(fā)生在同一區(qū)域，這預(yù)示著高能光子和低能光子可能存在強相關(guān)性。由于相對論性光束，耀變體的輻射由噴流的非熱成分主導，其特征是輻射頻率范圍很廣——從射電至伽馬射線。在此模型下，耀變體多波長輻射流量之間的關(guān)系可以暗示噴流的結(jié)構(gòu)，至少可以暗示射線的發(fā)射區(qū)域和每個區(qū)域的空間關(guān)系。文[5]通過研究40個亮源的光學和γ射線波段間的相關(guān)性，得出了耀變體的輻射滿足輕子模型的結(jié)論。在這40個亮源中，只有5個TeV耀變體，且這5個耀變體展現(xiàn)出不一致的結(jié)果。本文收集了78個TeV耀變體的光學波段和γ射線波段數(shù)據(jù)，利用離散相關(guān)函數(shù)分別計算每個源對應(yīng)的γ射線-光學相關(guān)性強度，以探究TeV耀變體的物理過程和輻射機制。

1 數(shù)據(jù)樣本

本文從4FGL-DR3目錄中收集得到Fermi-LAT報告的78個TeV耀變體對應(yīng)體及坐標，該樣本中有8個平譜射電類星體、65個蝎虎座BL型天體和5個未知類型天體。我們在Fermi-LAT的4FGL-DR3光變曲線庫中收集TeV耀變體的γ射線波段數(shù)據(jù)[6]。

我們從4個光學望遠鏡觀測數(shù)據(jù)庫中收集光學光變曲線數(shù)據(jù)：卡茲曼自動成像望遠鏡(Katzman Automatic Imaging Telescope, KAIT)[7]、中小型口徑研究望遠鏡(Small and Moderate Aperture Research Telescope System, SMARTS)[8]、卡塔利娜實時瞬態(tài)調(diào)查(Catalina Real-Time Transient Survey, CRTS)[9]和斯圖爾特天文臺光學觀測項目(Steward Observatory′s CCDImaging/Spectropolarimeter, SPOL, 網(wǎng)址: http://james.as.arizona.edu/～psmith/Fermi)。本文在KAIT，SMARTS，SPOL和CRTS目錄中收集到的TeV耀變體的數(shù)量分別為26，12，20和61。

為了避免數(shù)據(jù)點過少導致計算結(jié)果不準確，我們在計算時對數(shù)據(jù)點的個數(shù)進行了一定的限定：數(shù)據(jù)點要多于40個。在該條件下，我們一共收集到56個源，其中49個蝎虎座BL型天體，7個平譜射電類星體。

2 離散相關(guān)函數(shù)及分析結(jié)果

離散相關(guān)函數(shù)是一種分析兩組離散時間序列是否存在相關(guān)性的方法[10]，同時根據(jù)離散相關(guān)函數(shù)最大值的位置，還可以判斷離散數(shù)據(jù)組之間的時間延遲大小。設(shè)兩組包含噪聲的離散時間序列Ai和Bj，則這兩組時間序列的離散相關(guān)值為

(1)

我們利用離散相關(guān)函數(shù)對56個TeV耀變體的光學波段和γ射線波段數(shù)據(jù)進行計算，其中，γ射線波段數(shù)據(jù)為時間序列Ai，光學波段數(shù)據(jù)為時間序列Bj。計算的結(jié)果如表1，其中 “Time lag” 代表γ射線波段與光學波段的時間延遲，正值代表γ射線波段超前于光學波段，負值代表γ射線波段落后于光學波段；“Peak” 是離散相關(guān)函數(shù)的最大值，我們認為該值大于0.5為強相關(guān)，小于0.5為弱相關(guān)；對于部分源來說，離散相關(guān)函數(shù)過于平坦或離散，我們用 “--” 表示；“Redshift” 中的 “--” 表示沒有找到相關(guān)源的紅移數(shù)據(jù)。

表1 TeV耀變體γ射線波段與光學波段的相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis results of between γ-ray band and optical band of TeV blazar

2.1 γ射線落后光學波段(J0112.1+2245)

J0112.1+2245是一顆紅移為0.265且能譜類型為低峰頻的蝎虎座BL型天體，在圖1中，左上圖是耀變體J0112.1+2245的γ射線波段的光變曲線，左下圖是其光學V波段的光變曲線，右圖是兩個波段的相關(guān)性分析結(jié)果。從離散相關(guān)函數(shù)圖像可以看出，該源的γ射線波段和光學波段具有極強的相關(guān)性，這與文[11]計算結(jié)果一致，且γ射線波段落后于光學波段。

圖1 J0112.1+2245光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.1 The light curves of J0112.1+2245 and DCF plot

2.2 γ射線超前于光學波段(J0521.7+2112)

蝎虎座BL型天體J0521.7+2112的紅移為0.108，γ射線波段和光學波段在MJD56000-57000間均有耀發(fā)。從圖2的光變曲線中也可以看出，γ射線波段的峰明顯 “早于” 光學波段，這個結(jié)果在圖2的離散相關(guān)函數(shù)圖像中也可以得到。計算結(jié)果顯示，γ射線波段超前于光學波段，這一結(jié)果與文[12]的結(jié)果一致。同時我們還應(yīng)注意，γ射線波段在該時間段內(nèi)有兩次明顯的耀發(fā)，而光學波段在同一時間段內(nèi)，“缺少” 了一次耀發(fā)，這可能是由于天氣或者季節(jié)引起的觀測數(shù)據(jù)缺失造成的，也可能是在該時間段內(nèi)沒有光學耀發(fā)。這需要長時間的觀測來驗證。

圖2 J0521.7+2112的光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.2 The light curves of J0521.7+2112 and DCF plot

2.3 γ射線與光學波段不存在時間延遲(J1512.8-0906)

由于光學數(shù)據(jù)有4個來源，因此部分源可能被多個望遠鏡觀測。接下來我們給出一個較為典型的源4FGL J1512.8-0906的分析結(jié)果。該源由3個光學望遠鏡觀測(SMARTS，SPOL和CRTS)，如圖3。

圖3 J1512.8-0906的光學波段和γ射線波段的光變曲線Fig.3 Optical and γ-ray light curves of J1512.8-0906

在圖3中，上圖是源J1512.8-0906光學波段的光變曲線，其中紫色、藍色和綠色三角分別代表來自CRTS，SMARTS和SPOL的數(shù)據(jù)，下圖是γ射線波段的光變曲線。其中，當γ射線發(fā)生強烈的耀發(fā)時，光學波段也出現(xiàn)較為劇烈的耀發(fā)。我們計算圖中陰影時間段內(nèi)，γ射線和光學波段數(shù)據(jù)間的離散相關(guān)函數(shù)，光變曲線和計算結(jié)果如圖4。

圖4 J1512.8-0906耀發(fā)時γ射線和光學波段的光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.4 Light curves and DCF graph of γ-ray and optical band during the flare of J1512.8-0906

圖4展示了J1512.8-0906在MJD 54680-55370時期，光學波段與γ射線波段的光變曲線以及兩波段間的離散相關(guān)函數(shù)圖像情況。通過光變曲線我們可以看出，本次耀發(fā)期間光學波段的變化趨勢與γ射線波段的變化趨勢一致；離散相關(guān)函數(shù)圖像顯示在本次耀發(fā)中，兩波段間不存在時間延遲。這說明在本次耀發(fā)中，光學波段的光子(低能光子)與γ射線波段的光子(高能光子)可能來自同一個輻射區(qū)域。

2.4 孤 峰

在分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)存在這樣的現(xiàn)象：當γ射線(或光學)波段存在較為明顯的耀發(fā)時，對應(yīng)的時間段中，光學(或γ射線)波段沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的耀發(fā)。圖5展示了兩類 “孤峰”：光學孤峰和γ射線孤峰。

圖5 兩類孤峰Fig.5 Two types of “orphan”flares

在圖5中，左上圖和左下圖是源J0739.2+0137在MJD 55500-56200的光學(左上圖)和γ射線(左下圖)波段的光變曲線。其中，光學波段在MJD 55800-56000有一次明顯的耀發(fā)，而在γ射線波段并沒有檢測到耀發(fā)。右上圖和右下圖是源J1159.5+2914在MJD 55200-55600的光學(右上圖)和γ射線(右下圖)波段的光變曲線。其中在MJD 55300-55600γ射線波段發(fā)生了多次耀發(fā)，而在光學波段期間并沒有檢測到耀發(fā)。

3 結(jié)論與討論

我們從4FGL-DR3中收集了78個TeV耀變體，并在光學觀測數(shù)據(jù)庫中收集到相應(yīng)耀變體的光變曲線數(shù)據(jù)，要求光學數(shù)據(jù)點大于40個，最終得到一個包含56個TeV耀變體的樣本。我們利用離散相關(guān)函數(shù)對樣本中耀變體的光學和γ射線波段的光變曲線進行分析，結(jié)果顯示有20個耀變體的光學和γ射線波段之間存在弱相關(guān)性，30個耀變體的光學和γ射線波段間存在強相關(guān)性，6個耀變體沒有表現(xiàn)出相關(guān)性。在我們的樣本中，大部分耀變體具有強相關(guān)性，這表明，對于TeV耀變體而言，光學波段(低能光子)和γ射線波段(高能光子)產(chǎn)生于同一集群的電子；在具有相關(guān)性的源中，既存在光學波段超前于γ射線波段的源，也存在光學波段落后于γ射線波段的源。這些發(fā)現(xiàn)均強有力地支持TeV耀變體滿足輕子模型。同時，我們還發(fā)現(xiàn)了一些特殊的現(xiàn)象(孤峰)。光學孤峰的出現(xiàn)，暗示耀變體的低能光子來源可能不止一個[5]。對于γ孤峰，文[13]提出了一種可能的模型：“火環(huán)”(Ring of Fire)模型。在這個模型中，電子是包含在一個等離子團中并沿著噴流做相對論性運動，當?shù)入x子團穿過火環(huán)時，團內(nèi)電子散射環(huán)外光子形成γ孤峰。

此外，在表現(xiàn)為強相關(guān)的30個TeV耀變體中，高峰頻耀變體、中峰頻耀變體和低峰頻耀變體的數(shù)量分別為17，9和4，各占56.7%，30.0%和13.3%；表現(xiàn)為弱相關(guān)的20個TeV耀變體中，高峰頻耀變體、中峰頻耀變體和低峰頻耀變體的數(shù)量分別為15，1和4，各占75.0%，5.0%和20.0%；沒有表現(xiàn)出相關(guān)性的6個TeV耀變體中，有5個高峰頻耀變體和1個低峰頻耀變體，各占83.3%和16.7%。低峰頻耀變體在弱相關(guān)性和無相關(guān)性樣本中的占比明顯比強相關(guān)性樣本中的高。這與文[14]大耀變體樣本統(tǒng)計結(jié)果一致。文[14]認為，對于耀變體而言，同步自康普頓輻射在高峰頻耀變體和中峰頻耀變體中更為普遍，而低峰頻耀變體源中，外康普頓輻射占主導地位。當然，目前TeV耀變體的樣本數(shù)量比較少，統(tǒng)計顯著性不夠高。因此，尋找更多的TeV耀變體并對其進行多波段的準同時觀測是必要的。