费米耀变体多波段辐射流量相关性研究*



费米耀变体多波段辐射流量相关性研究*

李斯，王艳芳，龙光波，郑永刚

(云南师范大学 物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

摘要：收集了818个费米耀变体样本源(包括327个BL Lac天体和491个FRSQs)的射电辐射流量FR、X射线辐射流量FX、γ射线辐射流量Fγ以及相关的物理参量，并根据同步辐射峰值频率将样本源分为高同步辐射峰频耀变体(HSP)、中同步辐射峰频耀变体(ISP)和低同步辐射峰频耀变体(LSP)三种类型.分别对HSP、ISP和LSP的射电、X射线和γ射线辐射流量之间的相关性进行统计分析，得到以下结论：(1)对于HSP和ISP，Fγ和FR之间存在显著的线性相关，而对于LSP，Fγ和FR之间仅有低度线性相关；(2)在HSP、ISP和LSP中，Fγ和FX之间均存在低度线性相关性；(3)在HSP中，FR和FX之间存在低度线性相关性，在ISP中，FR和FX之间没有相关性，而在LSP中，FR和FX之间则表现为显著线性相关.上述研究结果与Fan和Dondi利用高能γ射线实验望远镜(EGRET)观测到的数据研究结果一致.另外，上述研究结果表明费米γ射线辐射主要产生于同步自康普顿(SSC)过程.

关键词：耀变体;辐射;相关分析

1引言

目前,费米(Fermi-LAT)三期(3FGL)活动星系核的相关数据[1]已经发布，这为了解河外天体的辐射起源提供了重要观测资料.一直以来,许多模型被提出来用于解释耀变体γ射线辐射的起源[2-3],例如:(1)同步自康普顿模型(SSC)模型[4]、(2)通过吸积盘产生光子的逆康普顿散射模型[5-6]、(3)通过周围物质或通过宽线云再生散射模型[7-9]、(4)极端相对论性正负电子同步辐射模型[10-11]、(5)通过超相对论核子碰撞的电磁级联模型[12-14].由于不同的辐射模型暗示着不同波段之间含有不同的关联,因此可以利用这些关联性来研究相应的辐射机制.

Fan等人曾经利用高能γ射线实验望远镜(EGRET)观测到的数据研究了γ射线和射电辐射之间的相关性,发现它们之间存在紧密的相关性[15],而Dondi等人也利用了EGRET数据进行研究并表明γ射线与射电辐射之间的相关性比与X射线间的更好[16].本文则利用最新的3FGL数据,在依据同步峰辐射频率的统计性质对数据源进行分类的基础上,对γ射线辐射流量密度Fγ、射电辐射流量密度FR和X射线辐射流量密度FX之间的相关性进行了研究,并对得到的相关性统计结果进行分析.我们的工作一方面是为了验证Fan和Dondi的研究结论是否对费米数据同样适用,另一方面也是为了进一步分析γ射线的辐射机制.

2数据

2.1数据分类

表1　费米三期活动星系核SED分类

2.2数据处理*由于数据较多,此处不再一一列出，如有需要与作者联系

根据文献[1],搜集并整理出了798个样本源的相关数据,数据包括以下几类:(1)费米名称;(2)其他名称;(3)光学类型(分为BL LAC和FRSQs);(4)红移z;(5)SED类型(分为LSP、ISP和HSP),(6)γ射线辐射观测流量N(单位为photons·cm-2·s-1);(7)γ光谱指数α;(8)γ光子光谱指数Γ;(9)1.4 GHz对应的射电辐射流量密度FR(单位为mJy);(10)0.1～2.4 keV对应的X射线辐射流量密度(单位为erg·cm-2·s-1).

2.2.1γ射线辐射流量密度的数据处理

假设γ光子流量和γ光子光谱指数满足以下幂律谱关系：

(1)

其中E是光子能量,单位为GeV；N是观测到的在EL～EU光子能量范围内的γ初始光子流量,单位是photons·cm-2·s-1；N0为初始流量；Γ为γ光子光谱指数.根据文献[18],可以得到以下运算公式

(2)

γ光子平均能量

(3)

由于能量为E(GeV)上γ光子流量密度为

f(E)=6.62607×10-4N0E1-Γ(Jy)

(4)

因此平均能量为Ea,ph(GeV)上的γ光子流量密度为

(5)

2.2.2k修正的考虑

鉴于所选用的坐标系不同,有时需要考虑对所选用的流量密度数据进行k修正,修正公式如下

(6)

3数据分析与结果

采用一元线性回归的分析方法对γ射线辐射流量密度Fγ、X射线辐射流量密度Fx和射电辐射流量密度FR进行了相关性分析,结果列于表2中(在表2中x为自变量,y为因变量,线性关系的表达式为y=A+Bx,N是数据点的个数,r为线性相关系数,p为置信度,SD为回归方程的标准偏差).γ射线、射电辐射和X射线这个三个波段的流量密度间的关系图如图1、图2、图3所示.

表2　流量密度相关性分析结果

图1　HSP的γ射线、射电辐射和X射线间的相关性

图2　ISP的γ射线、射电辐射和X射线间的相关性

图3　LSP的γ射线、射电辐射和X射线间的相关性

根据上述分析，可得如下结论：

(1)对Fγ和FR间的相关性而言,在HSP、ISP和LSP类型中,Fγ和FR间均存在相关性.其中就HSP和ISP这两种类型中显现出的相关性比较显著,相关系数分别为rHSP=0.57,rISP=0.63,置信度均为P<0.000 1.而对于LSP而言,rLSP=0.44,P<0.000 1,相关性较低.

(2)在HSP、ISP和LSP三种类型中,Fγ和FX间均有低度线性相关性存在.

(3)对于FR和FX间的关系而言,在HSP中rHSP=0.29，P=0.000 209 14,FR和FX间呈低度线性相关,在ISP中,rISP=-0.06,P=0.655 150 00,FR和FX间不存在相关性,而在LSP中，rISP=0.57,P<0.000 1,FR和FX间有显著的线性相关性.

以上的结论可总结为表3中所示内容.

表3　主要结论

4讨论

目前已经有很多学者研究过γ射线光度和射电辐射光度之间可能存在的相关性[15-16，19-20].利用高能γ射线实验望远镜(EGRET)观测到的数据,Dondi等人研究发现γ射线光度和射电辐射光度之间的相关性要比γ射线与X射线之间的相关性好,但是Mücke等人的研究表明γ射线光度和射电光度之间没有相关性[21].而目前的观测结果却表明γ射线和射电波段之间存在相关性[22],尽管它们之间的这种关系不是简单的一一对应的关系[23-24].我们认为存在这些不同结果的主要原因有:(1)光度与光度之间的关系并不能被认为是一种真正的关系,因为光度会受到红移的影响;(2)样本源数量太少;(3)γ射线和射电波段没有同时观测的数据;(4)γ射线辐射表现出大的流量变化[25].一般认为射电辐射和γ射线辐射都来自于耀变体的喷流中,它们都是强束流,这意味着γ射线和射电波段数据之间应该相关.当耀变体处于活跃状态时,γ射线辐射的数据更容易被观测到,如果此时γ射线辐射来自于同步自康普顿(SSC)过程,那么γ射线流量Fγ和射电辐射流量FR之间应该存在相关性[15].本文的统计结果表明在HSP和ISP中γ射线流量密度Fγ和射电1.4 GHz辐射流量密度FR之间存在较为显著的相关性.

Fan等人利用EGRET数据进行的研究表明，γ射线流量密度和X射线流量密度之间存在较弱的反相关性,并指出如果这种反相关性存在的话，将会对辐射模型有所限制，因此提出应该用更多的数据来研究它们之间的相关性[26].本文利用大量最新的3FGL数据研究了γ射线流量密度Fγ和X射线流量密度FX之间的相关性,研究表明在HSP、ISP和LSP中,γ射电流量密度Fγ和X射线流量密度FX之间存在较弱的正相关性.

对于射电1.4 GHz辐射流量密度FR与X射线流量密度FX之间的相关性,由于HSP、ISP和LSP的类型不同,它们之间的相关性也有所不同.这可能是因为它们的辐射区域不同,一般认为射电辐射来自于喷流的外部,而X射线的辐射则来自喷流内部.但具体情况如何解释,还有待于进一步的研究.

总之,从研究结果来看:(1)γ射线流量密度Fγ和射电1.4GHz辐射流量密度FR之间存在较为显著的相关性;这证实了Dondi和Fan的观点,并且说明了费米γ射线辐射和射电辐射产生的区域可能相同;(2)γ射线流量密度Fγ和射电1.4GHz辐射流量密度FR之间的相关性比γ射电流量密度Fγ和X射线流量密度FX之间的相关性要好,这与Dondi的研究结果是一致的[16].因此,我们的研究结果表明费米γ射线辐射主要产生于同步自康普顿(SSC)过程.

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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

中图分类号：P157

文献标志码：A

文章编号：1007-9793(2015)06-0001-07

通信作者：郑永刚(1980-),男,博士,副教授,主要从事天体物理方面研究.

作者简介：李斯(1991-),男,云南大理人,硕士研究生,主要从事天体物理方面研究.E-mail:lisiyx@163.com.

基金项目：云南省中青年学术和技术带头人后备人才计划资助项目(2012HB014)；云南省自然科学基金资助项目(2013FD014)；云南省教育厅基金重点资助项目(2012Z016).

收稿日期：*2015-10-22