費米耀變體噴流功率與黑洞質(zhì)量的相關(guān)性研究①

山玉蓮, 龔小龍

(長江大學物理與光電工程學院，湖北 荊州 434020)

0 引 言

噴流的加速機制和演化過程尚未有定論。但是目前學者們已經(jīng)提出了一些噴流的理論模型用以解釋噴流的加速機制，常見的有Blandford-Znajek(BZ)機制[4]，Blandford-Payne(BP)機制[5]，Meier[6]提出的雜化噴流模型等。在BZ機制和雜化噴流模型這兩種非常有影響力的模型中，中央大質(zhì)量黑洞的旋轉(zhuǎn)能量或吸積物質(zhì)的能量和角動量被連接黑洞視界的大尺度磁場提取出來并轉(zhuǎn)化成噴流的運動功率，因此我們有理由相信噴流功率與黑洞質(zhì)量存在某種內(nèi)在聯(lián)系。

主要目的是考慮耀變體相對論性噴流的集束效應(yīng)對射電以及光學波段的影響，在去除集束效應(yīng)的多普勒增亮的影響之后，利用內(nèi)稟γ射線的光度重新估算耀變體兩亞類的噴流功率與黑洞質(zhì)量，研究黑洞質(zhì)量與噴流功率之間的相關(guān)關(guān)系。

1 樣本描述

采集具有可靠的內(nèi)稟γ射線光度、黑洞質(zhì)量以及噴流功率的耀變體作為研究樣本，樣本的黑洞質(zhì)量和噴流數(shù)據(jù)均來源于Xiong et al.(2018)[7]，經(jīng)過篩選，留下了個70個符合要求的樣本，包括35個蝎虎天體35個平譜射電類星體。

1.1 黑洞質(zhì)量

假設(shè)寬線區(qū)的發(fā)射線云受中心黑洞的引力束縛而為繞黑洞旋轉(zhuǎn)，如果發(fā)射線云的運動是維里化的，中央黑洞的質(zhì)量則可以根據(jù)MBH=RBLRV2G-1得，大多數(shù)樣本的黑洞質(zhì)量由反響映射計算得到。對于一些蝎虎天體，黑洞的質(zhì)量由核球速度彌散得到。還有一些源的黑洞質(zhì)量由光變時標估算得到。對于同一個樣本，當同一樣本出現(xiàn)幾個不同的黑洞質(zhì)量時取平均數(shù)作為最終黑洞質(zhì)量。

1.2 噴流功率

Cavagnolo et al.(2010) 發(fā)現(xiàn)了巨大橢圓星系中存X射線空腔，并估算了使這些空腔或氣泡膨脹所需的噴流功率[8]，得到了“空腔”功率與射電光度之間的經(jīng)驗公式

(1)

噴流與周圍星際介質(zhì)相互作用產(chǎn)生空腔，從某種意義上說，噴流的功率等于空腔的功率即Pjet=Pcav。但由于并不是所有天體都能檢測到這種空腔，故這種方法只適用于少量有可明顯空腔的射電源。根據(jù)Cavagnolo et al.(2010) 提出的Pjet和Pradio之間的相關(guān)性，Meyer et al.(2011) 選擇300 MHz處的低頻延展光度來估算耀變體的噴流功率[9]。繼Meyer et al.(2011) 的研究之后之后，Nemmen et al.(2012) 利用γ射線光度估算了一個大樣本費米耀變體的噴流動能[10]。

將收集的數(shù)據(jù)進行整理如表1。表1中左邊四列為平譜射電類星體樣本的各項數(shù)據(jù)：列(1)樣本名稱；列(2)：黑洞質(zhì)量的對數(shù)(單位為M⊙)；列(3)內(nèi)在γ射線光度(單位為erg·s-1)列(4)噴流功率的對數(shù)(單位為erg·s-1)。右邊四列為蝎虎天體樣本的各項數(shù)據(jù)：列(5)樣本名稱；列(6)：黑洞質(zhì)量的對數(shù)(單位為M⊙)；列(7)內(nèi)在γ射線光度(單位為erg·s-1)列(8)噴流功率的對數(shù)(單位為erg·s-1)。

表1 Blazar樣本數(shù)據(jù)

2 分析結(jié)果及討論

圖1和圖2分別是BL Lacs和FSRQs黑洞質(zhì)量和噴流功率的關(guān)系圖，利用一元線性回歸的方法分析了兩類耀變體的黑洞質(zhì)量與噴流功率之間的相關(guān)性，可以明顯地看到，F(xiàn)SRQs的黑洞質(zhì)量與噴流功率之間具有強相關(guān)性，而BL Lacs的黑洞質(zhì)量與噴流功率之間相關(guān)性很弱。

圖1 平譜射電類星體黑洞質(zhì)量對噴流功率

圖2 蝎虎天體黑洞質(zhì)量對噴流功率

Sbarrato等(2012) 研究了一個費米樣品，發(fā)現(xiàn)γ射線光度可以作為噴流功率的表征[11]，但是他們沒有考慮集束效應(yīng)對γ射線光度的影響。我們在考慮了集束效應(yīng)對γ射線光度的影響之后，發(fā)現(xiàn)耀變體噴流功率還與黑洞相關(guān)。由圖1可以看到，F(xiàn)SRQs的噴流功率與黑洞質(zhì)量之間存在非常強的相關(guān)性，但是通過圖2很容易看出BL Lacs的噴流功率與黑洞質(zhì)量之間的這種相關(guān)關(guān)系非常弱。導致這種情況的原因可能是FSRQs是演化早期的耀變體，此時噴流較弱，用于計算黑洞質(zhì)量的連續(xù)譜光度受噴流影響較小，計算得出的黑洞質(zhì)量更為可靠；而BL Lacs是演變后期的結(jié)果，此時的噴流的光學輻射中具有非常強的由非熱同步輻射的集束效應(yīng)引起的多普勒增亮，導致連續(xù)譜光度偏大進而導致計算的黑洞質(zhì)量偏大。另一種可能的原因就是樣本中所包含的BL Lacs數(shù)量少，這也會導致BL Lacs的黑洞質(zhì)量與噴流功率的相關(guān)性較差。

3 結(jié) 語

通過對包含70個耀變體樣本的黑洞質(zhì)量，內(nèi)稟γ射線光度和噴流功率的研究，得出以下結(jié)論：在去除相對論集束效應(yīng)對射電及光學波段的影響后，利用γ射線計算得到的FSRQs噴流功率與黑洞質(zhì)量之間具有強相關(guān)關(guān)系，而BL Lacs的噴流功率與黑洞質(zhì)量之間相關(guān)性很弱。導致這種差異性的原因可能是兩類耀變體內(nèi)稟性質(zhì)的不同，也可能是由于系統(tǒng)計算誤差，要驗證這個問題還需收集更大的具有可靠數(shù)據(jù)的耀變體樣本作進一步研究。