BL Lac天体多波段高能辐射特性研究*

俞效龄， 张雄， 熊定荣， 茶永娟， 陈永云

(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

1 引 言

BL Lac天体属于Blazar的一个子类，是观测特性非常特殊的活动星系核，形态类似于恒星，有快速而不规则的光变[1].BL Lac天体的主要特征有[2]：快速光变；高偏振；非热连续光谱；光谱中没有或只有很弱的发射线，也只有很弱的吸收线，这也是BL Lac天体独有的特点.

自从2008年Fermi卫星发射，其灵敏度比EGRET要高很多，由此进入了一个全新的blazar研究时期，很多的模型被提出来解释伽马射线辐射的起源，包括：同步自康普顿散射模型(SSC)[3]；逆康普顿散射来自吸积盘的软光子[4-5]；逆康普顿散射被周围的气体和尘埃散射的软光子或者散射宽线区气体云产生的软光子[6-9]；极端相对论性正负电子的同步辐射[9-10]；极端相对论性质子与电磁波和核子相互作用[11-13].但是，究竟哪一个才是高能伽马射线的主要辐射过程还没有定论.

由于BL Lac天体具有大幅快速光变的特性，因此在进行多波段流量或光度相关性分析时，准同时或类准同时的多波段数据是必要的[14]，但是，由于观测的限制，不能得到一个大样本的准同时或类准同时的多波段数据.本文通过收集费米BL Lac 天体多波段同时期数据(伽马，中红外，射电 5 GHz)，对多波段流量和光度之间的相关性进行研究，进而研究费米BL Lac天体的高能伽马射线和红外射线的辐射机制.文中的第2部分是样本描述和相关性分析，所取的宇宙学常数：H0=70 Km·s-1·Mpc-1，Ωm=0.3，ΩΛ=0.7.第3部分是讨论和结论.

2 样本描述和相关性分析

2.1 样本描述

目前为止，费米广角望远镜(Fermi Larye Area Telescope,Fermi LAT)已经探测到大量的blazars平谱射电类星体(Flat-Spectrum Radio Quasars和BL Lacs).两年(2008年8月—2010年7月)的Fermi活动星系核第二源表(2LAC)包括1071个γ射线源[15].这些γ射线源包括886个活动星系核(Active Galactic Nucleis,AGNs)其中395个BL Lacs，310个FSRQs，157个不知道具体类型的blazars，8个非blazars的AGNs，4个窄线的Seyfert 1星系，10个其它类型的AGNs和2个星爆星系.源探测到的流量是基于24个月的平均流量[16].

宽红外巡天探测卫星(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)于2009年12月14日发射，用来取代1999年3月发射失败的广角红外探测器[17].WISE搭载口径40 cm的红外线望远镜，以3.4～22 μm的波长进行巡天:它在2010年1月14日开始巡天，于2010年7月17日完成了第一轮全天区巡天[18].我们得到了从2009年11月到2010年7月甚长基线天线阵列(VLBA)同时期的观测到了5 GHz的数据，一共收集了232个5 GHz的数据[19].

我们尽可能地选择最多的Fermi LAT探测到的BL Lacs，这些BL Lacs有可靠的多波段的数据，具体步骤为：首先考虑395个费米BL Lac天体,然后分别和WISE的第一轮全天区巡天数据、VLBA射电5 GHz数据进行交叉验证.最后收集了51个BL Lac天体的样本.从时间上看，所选取的多波段数据是同时期的，并且部分数据可能是同时或准同时的.对于这样的样本，研究结果具有很好的参考价值.

对于中红外四个波段的星等值，我们通过视星等与辐射流量的转换关系[20]

m-m0=2.5log(F0/F)

(1)

式中F0为0星等时天体辐射的流量密度，m为视星等，由(1)式得：

(2)

logF=logF0-0.4m

(3)

其中m必须进行星际消光和红化修正，式中F0为该波段零星等的流量.利用(1)式就可以将星等值转化为对应的流量值.对射电波段、伽马波段和红外波段的所有流量进行K修正，K修正的公式为[14]

F(υ)=Fobs(υ)(1+z)α-1

(4)

式中z是红移，对于红移未知的，取样本的平均红移值，即z=0.35，α是谱指数，在射电波段，取αR=0，在红外波段，取αIR=0，在伽马波段，取αγ=αph-1.

在计算光度时，我们采用的公式为[21]

(5)

(6)

式中dL为光度距离.

2.2 流量密度相关性分析

利用相关分析方法对射电波段、伽马波段、红外波段流量密度之间的相关性进行分析，在表1中列出了分析结果.主要的分析结论如下：

(1)在选取的51个BL Lac源中，Fγ与FR之间相关性显著，偶然概率为0.001 57.

(2)在选取的51个BL Lac源中，Fγ与红外的四个波段(W1-W4)都有强的相关性，四个波段中，从Fγ与FW1到Fγ与FW4的相关性逐渐增强，偶然概率均小于0.000 1(表1).

表1 伽马波段和红外波段及射电波段和红外波段流量之间的相关性分析结果

注：线性回归方程为Y=A+BX ,X是自变量；r是相关系数；SD是回归方程的标准偏差； σ是r的标准偏差 σ=(1-r2)/(N-1)1/2；N是源的个数；P是偶然概率，当P值小于0.05的置信水平说明具有显著的相关性.

(3)在选取的51个BL Lac源中，FR与FW1波段，FR与FW2波段相关性显著，偶然概率分别为0.003 82、5.791 98×10-4，FR与FW3和FR与FW4之间有强相关性，偶然概率全部小于10-4，并且同样是从FR与FW1到FR与FW4的相关性逐渐增强.

表2 光度的相性分析的结果

2.3 光度的相关分析

对于光度的分析，有研究指出[22]，光度和红移有很强的相关性，并且会导致伪相关结果的出现，因此，我们利用偏相关的方法，排除红移的影响，来分析射电波段、伽马波段、红外波段光度之间的相关性[23].偏相关分析的结果列在表2中，主要的分析结果为：

(1)在选取的51个BL Lac源中，logLγ与logLR之间有显著的相关性.

(2)在选取的51个BL Lac源中，logLγ与红外的四个波段(W1-W4)波段都有显著的相关性，四个波段中，从logLγ与logLW1到logLγ与logLW4的相关性逐渐增强.

(3)在选取的51个BL Lac源中，logLR与中红外的四个波段(W1-W4)波段都有显著的相关性，四个波段中，从logLR与logLW1到logLR与logLW4的相关性逐渐增强.以上偏相关分析结果中，相互之间的偶然概率均小于10-4.

3 讨论和结论

在选取准同时或类准同时的51个BL Lac费米源样本中，通过相关性分析，得到Fγ与FR之间显著相关，Fγ与红外的四个波段(W1-W4)都有强的相关性，从而限制了高能伽马射线的辐射机制和模型.很多的研究者对Fγ与FR之间可能的相关性进行研究.通过研究61个伽马噪的EGRET blazars，结果发现伽马和射电流量之间没有相关性[14].通过研究26个伽马噪的EGRET blazars，结果发现伽马和射电流量之间没有相关性[24].1998年，Fan等[25]研究了伽马射线和230 GHz射电流量之间的关系，发现了伽马射线辐射和高频射电辐射(1.3 mm,230 GHz)最大值之间的相关性比伽马射线辐射和低频射电辐射(5 GHz,6 cm)之间的相关性要强.近年来，随着Fermi卫星的发射，许多的研究者对不同的Fermi样本进行研究.Nieppola等[26]用Fermi活动星系核第一源表(1LAC)和37 GHz的数据，对249个AGNs进行研究，结果发现Fermi伽马射线和37 GHz流量密度显著相关.Ackermann等[27]对Fermi活动星系核第一源表(1LAC)的伽马射线和8.4 GHz、15 GHz的流量分析，发现厘米波的射电流量和伽马射线的能量流量之间有很高的显著正相关.Ghirlanda 等[28]考虑了由于流量限制和伽马射线流量的变化引入的选择效应，得到的结论是20 GHz射电流量和伽马射线之间的相关性是真实的.与此同时，我们用偏相关分析的方法分析了伽马波段和射电波段的光度(logLγ与logLR)，它们之间同样有显著的相关性.以上的分析表明：射电的辐射区是在喷流里，而且还说明了同步自康普顿辐射(SSC)是射电辐射的主要辐射机制.

其次，我们发现Fγ与中红外的四个波段(W1-W4波段)有强的相关性，这也能说明伽马射线的辐射和中红外的辐射相关.Xie 等[24]发现伽马射线和近红外的流量变化是相同的，我们的分析结果给了一个证据：相对论电子的逆康普顿(IC)散射出的红外光子引起了伽马射线的变化.解释IC散射的红外光子的起源有两种模型：Wagner 等[29]提出的热核周围的尘埃模型和Xie 等[7]提出的同步辐射模型.Xie 等[24]发现红外区的变化伴随着伽马射线的变化，Ghisellini和Maraschi[30]同样发现了同步辐射和IC流量一起变化，同样，我们用偏相关分析的方法分析了伽马射线与中红外四个波段之间的光度相关性做了分析，发现logLγ与红外的四个波段(W1-W4)波段都有显著的相关性，而且四个波段中，从logLγ与logLW1到logLγ与logLW4的相关性逐渐增强.根据上面的讨论，可以得到：同步辐射产生了红外光子，伽马射线是通过相对论电子的逆康普顿(IC)散射这些红外光子产生的.而且随着红外波段波长的逐渐变长，相关性越好，越吻合上述的讨论结论.

Bregman 等[31]提出BL Lac天体的射电辐射是非热的，根据51个BL Lac源与5GHz射电流量的分析结果可以看出，随着中红外波段波长的逐渐变长，与射电流量的相关的显著性越好；同样，对射电和中红外的四个波段的光度也做了偏相关分析，结果表明，logLR与中红外的四个波段(W1-W4)波段都有显著的相关性，四个波段中，从logLR与LogLW1到logLR与logLW4的相关性逐渐增强，由此，上述中红外波段流量与射电波段流量的显著相关性和中红外光度和射电光度的显著相关性也很好的说明中红外辐射更可能是非热辐射主导的.这个结果支持了文献[31]提出的BL Lac天体的射电辐射是非热的这一结论.

(由于文章篇幅限制数据表没有附在文章中，如有需要请和第一作者联系)

参 考 文 献:

[1] 茶永娟,张雄,熊定荣.BL Lac天体的特性研究[J].云南师范大学学报:自然科学版,2013,33(1):4-8.

[2] 黄克谅.类星体与活动星系核[M].北京：中国科学技术出版社,2005.

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

[4]DERMER C D,SCHLICKEISER R,MASTICHIADIS A.High-energy gamma radiation from extragalactic radio sources[J].A&A,1992 (256):L27-L30.

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

[6] 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].ApJ,1994 (421):153-162.

[7] BLANDFORD R D,LEVINSON A.Pair cascades in extragalactic jets.1:Gamma rays[J].ApJ,1995 (441):79-95.

[8] XIE G Z,ZHANG Y H,FAN J H.The relation between gamma-ray and near-infrared radiation in gamma-ray-loud blazars[J].ApJ,1997 (477):114-117.

[9] GHISELLINI G,PADOVANI P,CELOTTI A,et al.Relativistic bulk motion in active galactic nuclei[J].ApJ,1993 (407):65-82.

[10]CHENG K S,YU K N,DING K Y.X-ray and gamma-ray emission from active galactic nuclei[J].A&A,1993 (275):53-60.

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

[12]MANNHEIM K.The proton blazar [J].A&A,1993 (269):67-76.

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

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

[15]ACKERMANN M.The second catalog of active galactic nuclei detected by the Fermi large area telescope[J].ApJ,2011 (743):171-208.

[16]ABDO A A.Fermi large area telescope second source catalog[J].ApJs,2012 (199):31-77.

[17]WRIGHT E.The Wide-field infrared survey explorer(WISE):mission description and initial on-orbit performance[J].AJ,2010 (140):1868-1881.

[18]毛李胜.BL Lac天体的红外谱指数和辐射机制研究[D].昆明:中国科学院云南天文台，2012.

[19]LINFORD J D,TAYLOR G B,ROMANI R W,et al.Contemporaneous VLBA 5 GHz observations of large area telescope detected blazars[J].ApJ,2012 (744):177-198.

[20]杨林静，康世举，毕雄伟.Mark 421多波段光变特性研究[J].云南师范大学学报:自然科学版,2010,30 (5):5-12.

[21]VENTERS T M,PAVLIDOU V,REYES L C.The extragalactic background light absorption feature in the blazar component of the extragalactic gamma-ray background[J].ApJ,2009 (703):1939-1946.

[22]PADOVANI P.A statistical analysis of complete samples of BL Lacertae objects[J].A&A,1992 (256):399-407.

[23]MACHALSKI J,JAMROZY M.The new sample of giant radio sources(III):Statistical trends and correlations[J].A&A,2006 (454):95-102.

[24]XIE G Z,ZHANG X,BAI J M,et al.Gamma-ray and near-infrared emission from gamma-ray-loud blazars[J].ApJ,1998(508):180-185.

[25]FAN J H,ADAM G,XIE G Z,et al.Correlation between the gamma-ray and the radio emissions[J].A&A,1998 (338):27-30.

[26]NIEPPOLA E,TORNIKOSKI M,VALTAOJA E,et al.Correlation between Fermi/LAT gamma-ray and 37 GHz radio properties of northern AGN averaged over 11 months[J].A&A,2011 (535):69-81.

[27]ACKERMANN M,AJELLO M,ALLAFORT A,et al.The radio/gamma-ray connection in active galactic nuclei in the era of the fermi large area telescope[J].ApJ,2011 (741):30-50.

[28]GHIRLANDA G,GHISELLINI G,TAVECCHIO F,et al.The radio-γ-ray connection in Fermi blazars[J].MNRAS,2011 (413):852-862.

[29]WAGNER S J,CAMENZIND M,DREISSIGACKER O,et al.Simultaneous optical and gamma-ray flaring in PKS 0420-014:Implications for emission processes and rotating jet models[J].A&A,1995 (298):688-698.

[30]GHISELLINI G,MARASCHI L.Spectral properties of blazars.I-Objects observed in the far-ultraviolet.II-An X-ray observed sample[J].ApJ,1986 (310):317-324.

[31]BREGMAN J N.Continuum radiation from active galactic nuclei[J].A&AR,1990 (2):125-166.