費(fèi)米耀變體多波段輻射流量相關(guān)性研究*

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費(fèi)米耀變體多波段輻射流量相關(guān)性研究*

李斯，王艷芳，龍光波，鄭永剛

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

摘要：收集了818個(gè)費(fèi)米耀變體樣本源(包括327個(gè)BL Lac天體和491個(gè)FRSQs)的射電輻射流量FR、X射線輻射流量FX、γ射線輻射流量Fγ以及相關(guān)的物理參量，并根據(jù)同步輻射峰值頻率將樣本源分為高同步輻射峰頻耀變體(HSP)、中同步輻射峰頻耀變體(ISP)和低同步輻射峰頻耀變體(LSP)三種類型.分別對(duì)HSP、ISP和LSP的射電、X射線和γ射線輻射流量之間的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：(1)對(duì)于HSP和ISP，F(xiàn)γ和FR之間存在顯著的線性相關(guān)，而對(duì)于LSP，F(xiàn)γ和FR之間僅有低度線性相關(guān)；(2)在HSP、ISP和LSP中，F(xiàn)γ和FX之間均存在低度線性相關(guān)性；(3)在HSP中，F(xiàn)R和FX之間存在低度線性相關(guān)性，在ISP中，F(xiàn)R和FX之間沒(méi)有相關(guān)性，而在LSP中，F(xiàn)R和FX之間則表現(xiàn)為顯著線性相關(guān).上述研究結(jié)果與Fan和Dondi利用高能γ射線實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡(EGRET)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)研究結(jié)果一致.另外，上述研究結(jié)果表明費(fèi)米γ射線輻射主要產(chǎn)生于同步自康普頓(SSC)過(guò)程.

關(guān)鍵詞：耀變體;輻射;相關(guān)分析

1引言

目前,費(fèi)米(Fermi-LAT)三期(3FGL)活動(dòng)星系核的相關(guān)數(shù)據(jù)[1]已經(jīng)發(fā)布，這為了解河外天體的輻射起源提供了重要觀測(cè)資料.一直以來(lái),許多模型被提出來(lái)用于解釋耀變體γ射線輻射的起源[2-3],例如:(1)同步自康普頓模型(SSC)模型[4]、(2)通過(guò)吸積盤產(chǎn)生光子的逆康普頓散射模型[5-6]、(3)通過(guò)周圍物質(zhì)或通過(guò)寬線云再生散射模型[7-9]、(4)極端相對(duì)論性正負(fù)電子同步輻射模型[10-11]、(5)通過(guò)超相對(duì)論核子碰撞的電磁級(jí)聯(lián)模型[12-14].由于不同的輻射模型暗示著不同波段之間含有不同的關(guān)聯(lián),因此可以利用這些關(guān)聯(lián)性來(lái)研究相應(yīng)的輻射機(jī)制.

Fan等人曾經(jīng)利用高能γ射線實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡(EGRET)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)研究了γ射線和射電輻射之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)它們之間存在緊密的相關(guān)性[15],而Dondi等人也利用了EGRET數(shù)據(jù)進(jìn)行研究并表明γ射線與射電輻射之間的相關(guān)性比與X射線間的更好[16].本文則利用最新的3FGL數(shù)據(jù),在依據(jù)同步峰輻射頻率的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上,對(duì)γ射線輻射流量密度Fγ、射電輻射流量密度FR和X射線輻射流量密度FX之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究,并對(duì)得到的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析.我們的工作一方面是為了驗(yàn)證Fan和Dondi的研究結(jié)論是否對(duì)費(fèi)米數(shù)據(jù)同樣適用,另一方面也是為了進(jìn)一步分析γ射線的輻射機(jī)制.

2數(shù)據(jù)

2.1數(shù)據(jù)分類

表1　費(fèi)米三期活動(dòng)星系核SED分類

2.2數(shù)據(jù)處理*由于數(shù)據(jù)較多,此處不再一一列出，如有需要與作者聯(lián)系

根據(jù)文獻(xiàn)[1],搜集并整理出了798個(gè)樣本源的相關(guān)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括以下幾類:(1)費(fèi)米名稱;(2)其他名稱;(3)光學(xué)類型(分為BL LAC和FRSQs);(4)紅移z;(5)SED類型(分為L(zhǎng)SP、ISP和HSP),(6)γ射線輻射觀測(cè)流量N(單位為photons·cm-2·s-1);(7)γ光譜指數(shù)α;(8)γ光子光譜指數(shù)Γ;(9)1.4 GHz對(duì)應(yīng)的射電輻射流量密度FR(單位為mJy);(10)0.1～2.4 keV對(duì)應(yīng)的X射線輻射流量密度(單位為erg·cm-2·s-1).

2.2.1γ射線輻射流量密度的數(shù)據(jù)處理

假設(shè)γ光子流量和γ光子光譜指數(shù)滿足以下冪律譜關(guān)系：

(1)

其中E是光子能量,單位為GeV；N是觀測(cè)到的在EL～EU光子能量范圍內(nèi)的γ初始光子流量,單位是photons·cm-2·s-1；N0為初始流量；Γ為γ光子光譜指數(shù).根據(jù)文獻(xiàn)[18],可以得到以下運(yùn)算公式

(2)

γ光子平均能量

(3)

由于能量為E(GeV)上γ光子流量密度為

f(E)=6.62607×10-4N0E1-Γ(Jy)

(4)

因此平均能量為Ea,ph(GeV)上的γ光子流量密度為

(5)

2.2.2k修正的考慮

鑒于所選用的坐標(biāo)系不同,有時(shí)需要考慮對(duì)所選用的流量密度數(shù)據(jù)進(jìn)行k修正,修正公式如下

(6)

3數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

采用一元線性回歸的分析方法對(duì)γ射線輻射流量密度Fγ、X射線輻射流量密度Fx和射電輻射流量密度FR進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果列于表2中(在表2中x為自變量,y為因變量,線性關(guān)系的表達(dá)式為y=A+Bx,N是數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù),r為線性相關(guān)系數(shù),p為置信度,SD為回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)偏差).γ射線、射電輻射和X射線這個(gè)三個(gè)波段的流量密度間的關(guān)系圖如圖1、圖2、圖3所示.

表2　流量密度相關(guān)性分析結(jié)果

圖1　HSP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關(guān)性

圖2　ISP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關(guān)性

圖3　LSP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關(guān)性

根據(jù)上述分析，可得如下結(jié)論：

(1)對(duì)Fγ和FR間的相關(guān)性而言,在HSP、ISP和LSP類型中,Fγ和FR間均存在相關(guān)性.其中就HSP和ISP這兩種類型中顯現(xiàn)出的相關(guān)性比較顯著,相關(guān)系數(shù)分別為rHSP=0.57,rISP=0.63,置信度均為P<0.000 1.而對(duì)于LSP而言,rLSP=0.44,P<0.000 1,相關(guān)性較低.

(2)在HSP、ISP和LSP三種類型中,Fγ和FX間均有低度線性相關(guān)性存在.

(3)對(duì)于FR和FX間的關(guān)系而言,在HSP中rHSP=0.29，P=0.000 209 14,FR和FX間呈低度線性相關(guān),在ISP中,rISP=-0.06,P=0.655 150 00,FR和FX間不存在相關(guān)性,而在LSP中，rISP=0.57,P<0.000 1,FR和FX間有顯著的線性相關(guān)性.

以上的結(jié)論可總結(jié)為表3中所示內(nèi)容.

表3　主要結(jié)論

4討論

目前已經(jīng)有很多學(xué)者研究過(guò)γ射線光度和射電輻射光度之間可能存在的相關(guān)性[15-16，19-20].利用高能γ射線實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡(EGRET)觀測(cè)到的數(shù)據(jù),Dondi等人研究發(fā)現(xiàn)γ射線光度和射電輻射光度之間的相關(guān)性要比γ射線與X射線之間的相關(guān)性好,但是Mücke等人的研究表明γ射線光度和射電光度之間沒(méi)有相關(guān)性[21].而目前的觀測(cè)結(jié)果卻表明γ射線和射電波段之間存在相關(guān)性[22],盡管它們之間的這種關(guān)系不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系[23-24].我們認(rèn)為存在這些不同結(jié)果的主要原因有:(1)光度與光度之間的關(guān)系并不能被認(rèn)為是一種真正的關(guān)系,因?yàn)楣舛葧?huì)受到紅移的影響;(2)樣本源數(shù)量太少;(3)γ射線和射電波段沒(méi)有同時(shí)觀測(cè)的數(shù)據(jù);(4)γ射線輻射表現(xiàn)出大的流量變化[25].一般認(rèn)為射電輻射和γ射線輻射都來(lái)自于耀變體的噴流中,它們都是強(qiáng)束流,這意味著γ射線和射電波段數(shù)據(jù)之間應(yīng)該相關(guān).當(dāng)耀變體處于活躍狀態(tài)時(shí),γ射線輻射的數(shù)據(jù)更容易被觀測(cè)到,如果此時(shí)γ射線輻射來(lái)自于同步自康普頓(SSC)過(guò)程,那么γ射線流量Fγ和射電輻射流量FR之間應(yīng)該存在相關(guān)性[15].本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在HSP和ISP中γ射線流量密度Fγ和射電1.4 GHz輻射流量密度FR之間存在較為顯著的相關(guān)性.

Fan等人利用EGRET數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究表明，γ射線流量密度和X射線流量密度之間存在較弱的反相關(guān)性,并指出如果這種反相關(guān)性存在的話，將會(huì)對(duì)輻射模型有所限制，因此提出應(yīng)該用更多的數(shù)據(jù)來(lái)研究它們之間的相關(guān)性[26].本文利用大量最新的3FGL數(shù)據(jù)研究了γ射線流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間的相關(guān)性,研究表明在HSP、ISP和LSP中,γ射電流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間存在較弱的正相關(guān)性.

對(duì)于射電1.4 GHz輻射流量密度FR與X射線流量密度FX之間的相關(guān)性,由于HSP、ISP和LSP的類型不同,它們之間的相關(guān)性也有所不同.這可能是因?yàn)樗鼈兊妮椛鋮^(qū)域不同,一般認(rèn)為射電輻射來(lái)自于噴流的外部,而X射線的輻射則來(lái)自噴流內(nèi)部.但具體情況如何解釋,還有待于進(jìn)一步的研究.

總之,從研究結(jié)果來(lái)看:(1)γ射線流量密度Fγ和射電1.4GHz輻射流量密度FR之間存在較為顯著的相關(guān)性;這證實(shí)了Dondi和Fan的觀點(diǎn),并且說(shuō)明了費(fèi)米γ射線輻射和射電輻射產(chǎn)生的區(qū)域可能相同;(2)γ射線流量密度Fγ和射電1.4GHz輻射流量密度FR之間的相關(guān)性比γ射電流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間的相關(guān)性要好,這與Dondi的研究結(jié)果是一致的[16].因此,我們的研究結(jié)果表明費(fèi)米γ射線輻射主要產(chǎn)生于同步自康普頓(SSC)過(guò)程.

參考文獻(xiàn):

[1]ACKERMANN M,AJELLO M,ATWOOD W,et al.The third catalog of active galactic nuclei detected by the Fermi Large Area Telescope[J].Astrophysical Journal,2015,223(1):429-457.

[2]CHENG K S,ZHANG X,ZHANG A L.Gamma-ray and multi-wave band emission from gamma-ray-loud blazars[J].Astrophysical Journal,2000,537(1):80-90.

[3]劉文廣,李冬冬,熊定榮,等.費(fèi)米耀變體源多波段輻射流量的相關(guān)性分析[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,32(5):1-6.

[4]MARASCHI L,GHISELLINI G,CELOTTI A.A jet model for the gamma-ray emitting blazar 3C 279[J].Astrophysical Journal,1992,397(1):L5-L9.

[5]DERMER C D,SCHLICKEISER R,MASTICHIADIS A.High-energy gamma radiation from extragalactic radio sources[J].Astronomy and Astrophysics,1992,256:L27-L30.

[6]ZHANG L,CHENG S.Gamma-ray production through inverse compton scattering with anisotropic photon field from accretion disk in AGNs[J].Astrophysical Journal,1997,488(1):94-108.

[7]SIKORA M,BEGELMAN M C,REES M J.Comptonization of diffuse ambient radiation by a relativistic jet:The source of gamma rays from blazars?[J].Astrophysical Journal,1994,421(1):153-162.

[8]BLANDFORD R D,LEVINSON A.Pair cascades in extragalactic jets.1:Gamma rays[J].Astrophysical Journal,1995,67(2):61-70.

[9]XIE G Z,ZHANG Y H,FAN H.The relation between gamma-ray and near-infrared radiation in gamma-ray-loud blazars[J].Astrophysical Journal,2009,477(1):114-117.

[10]GHISELLINI G,PADOVANI P,CELOTTI A,et al.Relativistic bulk motion in active galactic nuclei[J].Astrophysical Journal,1993,53(5):65-82.

[11]DING K Y,CHENG K S,YU K N.X-ray and gamma-ray emission from active galactic nuclei[C].COMPTON GAMMA-RAY OBSERVATORYAIP Publishing,1993:564-568.

[12]MANNHEIM K,BIERMANN P L.Gamma-ray flaring of 3C 279:a proton-initiated cascade in the jet?[J].Astronomy & Astrophysics,1992,253(2):L21-L24.

[13]MANNHEIM K.The proton blazar[J].Astronomy & Astrophysics,1993,269:67-76.

[14]CHENG K S,DING W K Y.On the gamma-ray emission from Markarian 421[J]. Astronomy & Astrophysics,1994,288(1):97-102.

[15]FAN J H,ADAM G,XIE G Z,et al.Correlation between the γ-ray and the radio emissions[J].Astronomy & Astrophysics,1998,338(1):27-30.

[16]DONDI L,GHISELLINI G.Gamma-ray-loud blazars and beaming[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,1995,273(3):583-595.

[17]ABDO A A.The first catalog of active galactic nuclei detected by the Fermi Large Area Telescope[J].Astrophysical Journal Letters,2010,715(1):429-457.

[18]楊江河,聶建軍,楊如曙.活動(dòng)星系核伽瑪輻射流量的計(jì)算(英文)[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,26(2):56-61.

[19]YANG J H,FAN J H.The Correlation between γ-ray and radio emissions for the fermi blazars[J].Journal of Astrophysics & Astronomy,2011,32(1-2):203-205.

[20]WU D X,FAN J H,LIU Y,et al.Correlation between γ-ray and radio emissions in Fermi blazars[J].Publications of the Astronomical Society of Japan,2014,66(6).

[21]MUCKE A,POHL M,REICH P,et al.On the correlation between radio and gamma ray luminosities of active galactic nuclei[J].Astronomy & Astrophysics,1997,320(1):33-40.

[22]VALTAOJA E,TERASRANTA H.Gamma radiation from radio shocks in AGN jets[J].Astronomy & Astrophysics,1995,297(1):L13-L16.

[23]POHL M,REICH W,SCHLICKEISER R,et al.Radio observations of the gamma-ray blazar Q 0528+134.[J].Astronomy & Astrophysics Supplement,1996,120(4):529-532.

[24]MüCKE A,POHL M,KANBACH G,et al.AGN statistics of simultaneous radio and gamma ray observations[J].Astronomy & Astrophysics Supplement,1996,120(4).

[25]HARTMAN R C.Gamma-ray variability in blazars[C].Blazar Continuum Variability.1996,110:333.

[26]CHENG K S,ZHANG X,ZHANG L.Gamma-ray and multi-wave band emission from gamma-ray-loud blazars[J].Astrophysical Journal,2000,537(1):80-90.

The Correlations of Multi-wavelength Emissions from Fermi Blazars

LI Si, WANG Yan-fang, LONG Guang-bo, ZHENG Yong-gang

(School of Physics and Electronic Information,Yunnan Normal University,Kunming 650500,China)

Abstract:In this paper, we compile the radio emission flux FR, X-ray emission flux FX, γ-ray emission flux Fγand some other physical parameters of 818 Fermi blazars (including 327 BL Lac and 491 FRSQs).Based on the synchrotron peak frequency ,we categorize the sample as high-synchrotron-peaked blazar(HSP),intermediate-synchrotron-peaked blazar(ISP)and low-synchrotron-peaked blazar(LSP).We analyze the correlations of Multi-wavelength Emissions. Our results show that:(1)there is a significantly correlation between Fγ and FRin the HSP and the ISP,but a weak correlation exist in LSP;(2)a weak correlation in found between Fγand FXin the HSP,the ISP and the LSP;(3)for the HSP, there is a weak correlation between FRand FX;in the ISP,there is no correlation between them; but a significantly correlation between FRand FXexist in LSP.These are in agreement with the Dondi′s and Fan′s results that is deduced from the Energetic Gamma Ray Experiment Telescope(EGRET) data.Our results suggest that the Fermi γ-ray derives from the synchrotron self-Compton(SSC) process.

Keywords:Blazars; Emission; Correlation analysis

中圖分類號(hào)：P157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9793(2015)06-0001-07

通信作者：鄭永剛(1980-),男,博士,副教授,主要從事天體物理方面研究.

作者簡(jiǎn)介：李斯(1991-),男,云南大理人,碩士研究生,主要從事天體物理方面研究.E-mail:lisiyx@163.com.

基金項(xiàng)目：云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012HB014)；云南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013FD014)；云南省教育廳基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012Z016).

收稿日期：*2015-10-22