Fermi耀變體的γ射線多波段輻射與射電輻射的關(guān)系?

庹滿先 鄧進(jìn)杰 楊江河 張月蓮 陳秀慧 汪勝輝曲孝海 聶建軍 樊軍輝

(1 湖南文理學(xué)院數(shù)理學(xué)院常德415000)

(2 廣州大學(xué)天體物理中心廣州510006)

1 引言

由于耀變體(blazar)具有一些極端的觀測性質(zhì), 如偏振度較高且變化幅度大、高光度、快速光變、視超光速運(yùn)動及高能γ射線輻射等, 因而成為活動星系核(Active Galactic Nuclei, AGNs)的一個極端子類[1–9]. 按照發(fā)射線強(qiáng)弱的不同, blazar可分為平譜射電源(Flat Spectrum Radio Quasar, FSRQ)和蝎虎天體(BL Lac object, BL Lac).FSRQ有強(qiáng)發(fā)射線, 而BL Lac沒有或僅有很弱的發(fā)射線.

Blazar在射電到γ射線波段都有很強(qiáng)的輻射, 它們各個波段的連續(xù)譜很復(fù)雜, 不能用單個冪律譜來描述. Blazar的能譜分布(Spectral Energy Distribution, SED)具有雙峰結(jié)構(gòu), 第1個峰位于遠(yuǎn)紅外到軟X射線之間, 其主要來源為同步輻射; 第2個峰位于MeV到TeV波段[10–13], 主要由逆康普頓輻射產(chǎn)生, 一些BL Lac天體的第2個峰可用強(qiáng)子模型很好地解釋[14–16]. 根據(jù)同步輻射峰頻的高低, blazar可分為3類[3,10], 即: 低同步峰頻blazar (LSP), 中同步峰頻blazar (ISP)和高同步峰頻blazar (HSP). 對于BL Lac天體, 該3類分別為LBL (低同步峰BL Lac)、IBL (中同步峰BL Lac)和HBL (高同步峰BL Lac). 本文所使用的分類主要來自文獻(xiàn)[3], 其以同步峰頻(νp/Hz)的分類標(biāo)準(zhǔn)為: LSP,lg(νp/Hz)<14; ISP, 1415.3.

研究多波段輻射之間的關(guān)系(如:2個波段的流量、光度或某個參數(shù)之間的關(guān)系)是弄清楚blazar輻射機(jī)制及波段之間輻射起源關(guān)聯(lián)的有效方法之一[17–18]. 為了弄清blazar的高能γ射線輻射機(jī)制以及γ射線輻射與低能多波段輻射機(jī)制之間的關(guān)聯(lián), 不少作者研究了高能γ射線波段與低能多波段輻射之間的關(guān)系. 但由于受樣本量及觀測設(shè)備精度的限制, 所得結(jié)果并不完全一致. 如: Dondi等[19]用EGRET (Energetic Gamma Ray Experimental Telescope)數(shù)據(jù)研究了γ射線波段和較低能波段輻射的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)γ射線與射電光度相關(guān)較其與其他波段(如光學(xué)和X射線波段)光度關(guān)系更好; Xie等[20]收集了16個有γ射線噪blazar天體的近紅外和γ射線輻射流量, 發(fā)現(xiàn)γ射線與紅外波段的光度關(guān)系較γ射線與光學(xué)或X射線之間關(guān)系更好; Fan[21]發(fā)現(xiàn)γ射線流量和射電流量有相關(guān)存在, 但是γ射線流量與光學(xué)流量或與X射線流量之間卻沒有相關(guān); Fan等[22]研究發(fā)現(xiàn)γ射線與射電230 GHz輻射在高態(tài)時有相關(guān), 但是γ射線波段和射電5 GHz輻射的相關(guān)關(guān)系很弱; Huang等[23]研究了γ射線和射電輻射之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)不同類星體的射電輻射與其他輻射存在不同程度的關(guān)聯(lián); Yang等[24]用EGRET數(shù)據(jù)研究了高、中、低態(tài)的γ射線輻射與射電8.4 GHz輻射之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)在高態(tài)時兩者有強(qiáng)相關(guān), 低態(tài)時無相關(guān); 最近,Fan等[25]討論了γ射線與射電波段之間的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)高頻射電輻射與γ射線輻射的相關(guān)性強(qiáng)于低頻射電輻射. 這些研究均只考慮了γ射線單頻輻射與低能多波段輻射之間的關(guān)系,且使用的樣本量均不太大. 因此, γ射線輻射與低能輻射多波段之間關(guān)系研究是不完整的, 關(guān)于blazar多波段之間的輻射關(guān)系, 特別是γ射線與低能波段輻射之間的關(guān)系, 有必要用更大的樣本及γ射線多波段數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的研究.

本文用Fermi 3期源表(3FGL)[26]的γ射線多波段數(shù)據(jù)研究了blazar γ射線多能段輻射與射電輻射的關(guān)系, 討論了blazar不同子類在兩波段上輻射機(jī)制的關(guān)聯(lián). 文章中頻率ν處的譜指數(shù)αν定義為fν ∝ν?αν, 式中,fν為ν處的流量密度.

2 樣本及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 樣本選擇

Fermi大天區(qū)望遠(yuǎn)鏡自2008年運(yùn)行以來已發(fā)布了5次數(shù)據(jù), 分別為0FGL (亮源表)[27]、1FGL (1期源表)[28]、2FGL (2期源表)[29]、3FGL (3期源表)[26]和4FGL (4期源表)(https://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/data/access/lat/8 yr_catalog/), 各源表中所包含的blazar分別為119、665、1063、1717、2938個. 4FGL于2018年3月發(fā)布, 但在4FGL中沒有公布源的γ射線多波段光子流量及光變指數(shù)等數(shù)據(jù). 因此, 本文將以3FGL為基礎(chǔ)樣本, 研究blazar射電1.4 GHz輻射與γ射線多波段輻射的關(guān)系.

3FGL中共3033個源, 其中有1717個是blazar. 1717個blazar中有573個BCU (未知類型耀變體)、660個BL Lac和484個FSRQ. 由于本文僅討論FSRQ、HBL、LBL的射電與γ射線多波段輻射的關(guān)系, 因此樣本中不包含BCU源, 再刪除在多波段中觀測γ射線光子流量誤差大于66.6%的源, 最后本文的研究樣本僅含935個blazar, 其中,415個FSRQ,520個BL Lac. 關(guān)于blazar的分類,本文參照了文獻(xiàn)[3]及[27]對blazar的分類.射電1.4 GHz的流量密度全部來自美國航空航天局河外數(shù)據(jù)庫(NED, http://ned.ipac.caltech.edu/). 最后的樣本源及原始數(shù)據(jù)見表1 (表1為部分源數(shù)據(jù), 完整源數(shù)據(jù)見表3附錄). 表1中各列含義如下: 第1列, 源的3FGL名稱; 第2列, 源的紅移z; 第3列, 源的分類C,其中F、B、H、I、L分別表示FSRQ、BL Lac、HBL、IBL和LBL; 第4列, 從NED獲得的射電1.4 GHz流量密度f1.4及其誤差, 單位為mJy; 第5列, 為γ射線光子譜指數(shù)Γ及其誤差; 第6–10列, 分別為γ射線在0.1–0.3、0.3–1、1–3、3–10、10–100 GeV能段的光子流量N, 上下標(biāo)數(shù)字分別為以GeV為單位的能量上下限, 單位分別為10?9、10?10、10?10、10?11、10?11photon·cm?2·s?1, 表中已將單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為10?11photon·cm?2·s?1.

表1 樣本(完整表格見表3附錄)Table 1 Sample of blazars (See Appendix for complete samples)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 射電數(shù)據(jù)

表1中所有樣本的射電1.4 GHz輻射流量均從NED中獲得. 若在NED中某個源有多個1.4 GHz流量, 本文將選擇誤差較小且較接近平均值的那個值. 所獲流量密度再用公式

進(jìn)行K改正. (1)式中:f為K改正后的真實(shí)流量密度;fob為觀測流量; 對于未測得紅移的源, 取同類源紅移的平均值, 在本文中FSRQ平均紅移FSRQ=1.20, BL Lac平均紅移BL=0.57; 在進(jìn)行K改正時, 取α1.4GHz=0[3,30].

2.2.2 γ射線數(shù)據(jù)

在3FGL表中給出了γ射線在0.1–0.3、0.3–1、1–3、3–10和10–100 GeV 5個波段的積分光子流量密度(單位: photon·cm?2·s?1). 用其分別計算出0.1、0.3、1、3和10 GeV處以Jy為單位的流量密度(f0.1GeV、f0.3GeV、f1GeV、f3GeV和f10GeV), 計算公式[5–7]為

(2)式中,f(E)為γ射線在EGeV處以Jy為單位的流量密度, Γ=αγ+1;EL和EU分別為觀測波段的下、上限能量, 例如若觀測波段為0.1–0.3 GeV, 則EL=0.1 GeV,EU=0.3 GeV. 以上計算的流量密度再用(1)式K改正. K改正時未知紅移用同類源的平均值代替.

3 結(jié)果

按照以上數(shù)據(jù)處理方法, 可得到射電1.4 GHz流量密度(Jy)和γ射線5個波段(0.1–0.3、0.3–1、1–3、3–10、10–100 GeV)分別在0.1、0.3、1、3、10 GeV處的流量密度f0.1GeV、f0.3GeV、f1GeV、f3GeV、f10GeV. 分別做lgf1.4GHz與lgf0.1GeV、lgf0.3GeV、lgf1GeV、lgf3GeV、lgf10GeV的關(guān)系, 結(jié)果如圖1所示, 其線性擬合結(jié)果如表2所示.表2中: y ～x表示縱橫坐標(biāo)所對應(yīng)量之間的相關(guān); Sam.為分類樣本(T為總樣本、F為FSRQ、B為BL Lac、H為HBL、L為LBL);r、n、p分別為兩個量相關(guān)的相關(guān)系數(shù)、樣本量和機(jī)會概率. 線性擬合結(jié)果方程表示為y=(a±?a)+(b±?b)x.

4 討論

4.1 不同樣本的流量相關(guān)

從圖1及表2可知, 對于總樣本、FSRQ、BL Lac及其子類HBL、LBL, 射電1.4 GHz流量與γ射線5個波段的流量均有好的正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)系數(shù)在0.551–0.807之間, 機(jī)會概率均小于10?4. 但從表2的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn), 對于不同的樣本及在不同的γ射線波段這種相關(guān)程度存在差別. 在5個波段上各樣本的相關(guān)系數(shù)平均值分別為: 0.787 (HBL) >0.705(BL Lac)>0.685(Total)>0.668(FSRQ)>0.616(LBL). 因此, 總的看, 對于不同的樣本, 射電與γ射線輻射的相關(guān)性, BL Lac樣本的要好于FSRQ樣本; 對于BL Lac的子類, HBL的相關(guān)性要好于LBL的相關(guān)性.

以上結(jié)果表明, γ射線與射電輻射流量密度間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián), 也就是說它們的輻射機(jī)制存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián). 如果射電輻射來自同步輻射, 那么γ射線輻射主要來自同步自康普頓輻射. 在γ射線波段, BL Lac中的同步自康普頓輻射成份應(yīng)多于FSRQ, HBL中的同步自康普頓輻射成份應(yīng)多于LBL.

4.2 相關(guān)性隨γ射線頻率的變化

從表2可得到, 所有樣本在5個波段上相關(guān)系數(shù)的平均值分別為: 0.703 (0.1 GeV) >0.688(0.3 GeV)>0.682(1 GeV)>0.660(3 GeV)>0.594(10 GeV). 因此, 總的看, 所有樣本在5個波段上的相關(guān)性隨著γ射線頻率的升高而減弱. 按照“假設(shè)射電輻射來自同步輻射, 若γ射線輻射與射電輻射相關(guān)性越強(qiáng), 則γ射線輻射來自同步自康普頓輻射的成份就越多”的觀點(diǎn), 可得到, γ射線輻射頻率越高, 其同步自康普頓輻射成份越少. 為了弄清不同樣本在γ射線多波段輻射與射電1.4 GHz輻射的關(guān)聯(lián), 本文給出了不同樣本的射電與γ射線輻射相關(guān)系數(shù)與γ射線頻率的關(guān)系, 結(jié)果如圖2所示.

圖1 射電輻射與γ射線多波段輻射的相關(guān)Fig.1 The correlations between radio and multi-bands γ-ray emissions

從圖2可知, 不同類型的天體, 其γ射線多波段輻射與射電輻射的相關(guān)性隨頻率的變化規(guī)律不相同.

對于總樣本, 相關(guān)系數(shù)與γ射線輻射頻率的變化呈拋物線型, 頂點(diǎn)(相關(guān)性最好)在1023Hz左右, 相關(guān)系數(shù)在0.55–0.81之間變化(圖2 (a)).

對于FSRQ樣本, 隨著頻率的升高, 相關(guān)性先是快速增加, 再逐漸減小, 相關(guān)系數(shù)在0.55–0.73之間變化(圖2 (a)); 對于BL Lac樣本, 隨著頻率的升高, 相關(guān)性呈近似線性減小的趨勢, 相關(guān)系數(shù)在0.63–0.77之間變化(圖2 (a)).

對于BL Lac的子樣本HBL, 相關(guān)系數(shù)有一個先增加再減小的趨勢, 但相關(guān)系數(shù)變化很小, 相關(guān)系數(shù)在0.76–0.81之間變化(圖2 (b)); 對于LBL, 相關(guān)系數(shù)呈近似線性減小的趨勢, 相關(guān)系數(shù)在0.57–0.68之間變化(圖2 (b)). 因此, HBL的這種相關(guān)性整體上要遠(yuǎn)好于LBL的.

表2 射電1.4 GHz流量與5波段γ射線流量相關(guān)的線性擬合結(jié)果Table 2 The linear fitting results for the flux correlations between radio 1.4 GHz and five bands of γ-ray emission

根據(jù)以上分析的相關(guān)性, 可以得知不同類型天體γ射線輻射的主導(dǎo)機(jī)制隨輻射能段的變化關(guān)系. 雖然輕子模型(lepton model)和強(qiáng)子模型(hadron model)都能較好地解釋γ射線的起源, 但目前對γ射線的真正起源仍然不清楚. 輕子模型包括同步自康普頓(Synchrotron Self-Compton, SSC)和外康普頓(External Compton, EC)過程[31–34].在SSC過程中, 軟光子起源于噴流中的同步輻射[31], 而EC過程中的軟光子直接來自附近的吸積盤[33], 或者來自于吸積盤輻射在某個區(qū)域的再輻射[34]. 強(qiáng)子模型認(rèn)為超相對論電子和正電子的同步輻射在質(zhì)子誘導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)中產(chǎn)生[14–16].

圖2 不同樣本的射電與γ射線輻射相關(guān)系數(shù)與γ射線輻射頻率的關(guān)系Fig.2 The relation between the correlation coefficient of γ-ray and radio emissions from different samples and γ-ray emission frequency

觀測和理論表明γ射線輻射和射電輻射都具有很強(qiáng)的聚束效應(yīng), 且它們均源自噴流.根據(jù)目前流行的觀點(diǎn), γ射線輻射起源模型主要是SSC和EC, 在噴流中的SSC過程產(chǎn)生的γ射線當(dāng)達(dá)到光學(xué)薄時就輻射出來, 而這時對射電輻射來說噴流內(nèi)部依然是光學(xué)厚的,當(dāng)?shù)竭_(dá)噴流下游后光深變小時, 射電光子就能輻射出來了. 在射電和γ射線多波段的光變研究中, Lisakov等[35]發(fā)現(xiàn)3C273的γ射線光變超前射電145–165 d. 當(dāng)SSC過程主導(dǎo)時,射電與γ波段的流量密度之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性. 對于EC過程, 因射電和γ波段都具有很強(qiáng)的噴流, 這種強(qiáng)的聚束效應(yīng)也會導(dǎo)致γ與射電相關(guān). 一般情況下, 應(yīng)該是SSC和EC都起作用, 那么由于射電和γ射線輻射不是產(chǎn)生于同一批電子, 所以γ射線與射電輻射流量密度的相關(guān)相對SSC主導(dǎo)時會減弱.

目前認(rèn)為射電輻射主要由同步輻射產(chǎn)生, 若γ射線輻射主要來自同步自康普頓輻射,則我們可期待二者之間有相關(guān), 且γ射線輻射中同步自康普頓輻射成份越多, 二者的相關(guān)性應(yīng)越好. 按照前面的輕子模型和強(qiáng)子模型, γ射線輻射的組份應(yīng)由SSC和EC以及強(qiáng)子的級聯(lián)輻射成份組成. 如果將γ射線輻射成份簡單理解為由SSC輻射成份和EC輻射成份組成, 那么根據(jù)本文所得到的相關(guān)結(jié)果可知, 不同類型的天體, 在不同頻率處其兩種機(jī)制輻射的成份比例不同, 即主導(dǎo)機(jī)制不同. 由于HBL的射電輻射與γ射線輻射5個波段均有很好的正相關(guān), 因此, HBL的γ射線輻射主要由SSC輻射主導(dǎo), 而LBL的相關(guān)性較弱,因此, LBL的γ射線輻射或許有更多的EC輻射成份.

FSRQ和LBL除了發(fā)射線的差異外, 還有很多不同, 但它們的連續(xù)譜幾乎相同. 它們的差異可能是演化或者是由于在共動坐標(biāo)系中噴流部分與延展部分的比值不同所致[36].在γ波段, FSRQ的輻射比BL Lac強(qiáng), 這可能歸因于FSRQ具有較BL Lac更強(qiáng)的聚束效應(yīng)所致. 如果FSRQ的γ輻射有來自于EC的貢獻(xiàn),那么可能影響射電與γ射線輻射的相關(guān)性.如果真是這樣, 由圖2中FSRQ的相關(guān)性隨γ射線輻射頻率的變化關(guān)系可知, FSRQ的γ射線起源較LBL的更復(fù)雜.

5 結(jié)論

本文以3FGL blazar為樣本, 研究了射電1.4 GHz輻射與γ射線在0.1、0.3、1、3、10 GeV處輻射的流量關(guān)系, 得到以下結(jié)論:

(1)射電1.4 GHz輻射與γ射線5個波段的輻射均存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián), 相關(guān)性隨著γ射線頻率的升高而變?nèi)?

(2)在γ射線波段, BL Lac的同步自康普頓輻射成份高于FSRQ, HBL的多于LBL;

(3)隨著γ射線輻射頻率的升高, γ射線輻射的主導(dǎo)機(jī)制在發(fā)生變化, 且不同類型天體的這種變化不同. HBL的γ射線輻射主要由SSC機(jī)制主導(dǎo), LBL的γ射線輻射主要由EC機(jī)制主導(dǎo), FSRQ的γ射線輻射主導(dǎo)機(jī)制較BL Lac的更復(fù)雜.

附錄

表3 樣本(完整樣本)Table 3 Sample of blazars (Complete sample)

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued

表3 續(xù)Table 3 Continued