平谱射电类星体PKS 1510-089的光学光变周期特性

潘泽青， 周 绒， 李孝攀

(昭通学院 物理与电子信息工程学院， 云南 昭通 657000)

●物理学研究

平谱射电类星体PKS 1510-089的光学光变周期特性

潘泽青， 周 绒， 李孝攀

(昭通学院 物理与电子信息工程学院， 云南 昭通 657000)

对Swift/UVOT望远镜的观测数据进行处理，得到了平谱射电类星体PKS 1510-089从2006年到2016年的光学U波段历史光变曲线.使用时间补偿离散傅里叶变换对光变曲线中的周期成分进行分析，结果表明：PKS 1510-089在光学U波段可能具有313天和557天的光变周期.

平谱射电类星体； PKS 1510-089； DCDFT； 光变周期

活动星系是一类河外星系，它在观测上表现为明亮的核区和剧烈的物理活动，它的核简称活动星系核(AGN)，是当今物理学和天文学的研究前沿之一.活动星系核的分类标准并不统一，一般将其分为类星体，耀变体，塞夫特星系和射电噪类星体等.耀变体(Blazar)是活动星系核中备受关注的一类，它往往具有多波段的大幅度快速光变、高偏振、高光度、非热连续辐射等观测特征，并且在整个电磁波谱中表现出流量的快速变化[1,2].根据观测现象的不同，又可将其分为两个重要的子类：蝎虎天体(BL Lac)和平谱射电类星体(FSRQ).其中，蝎虎天体具有大幅度的短时标光变、中等时标光变、强而变化的光学偏振以及从射电波段到X射线甚至γ波段的非热连续辐射等特征，其光谱是没有发射线或发射线很弱的连续谱(等值宽度小于0.5nm)；平谱射电类星体表现出快速光变、高偏振以及由致密射电核主导的射电结构等特征[3].

PKS 1510-089是广受研究的平谱射电类星体，其红移z=0.361.PKS 1510-089属于光学激变体，具有强烈的发射线和剧烈的短时标光变(时间从几十分钟到几天)，目前发现它在多个波段存在长周期光变(时间从几年到几十年).PKS 1510-089是重要的GeV γ射电源，在能谱分布上存在大蓝包，是少数既有γ辐射又出现大蓝包的耀变体之一.PKS 1510-089最令人关注的特征是光变曲线表现出的周期性爆发和流量最小值的周期性变化，Xie等人[4]发现它的光学波段光变曲线每隔336±14天(0.92年)出现准周期最小流量变化.PKS 1510-089的多波段观测还表明其光变具有很大的灵活性，并表现为复杂的非正弦变化.目前，除了光学波段发现的约0.9年的光变周期，在其它波段也发现了类似的周期成分[5，6].例如：在射电37和22GHz波段，0.92±0.04 年和1.82±0.12已被证实.在X射线1.5—12 keV和15—50 keV波段，李等人[7,8]也发现了约0.9年的光变周期.

为了丰富PKS 1510-089光变数据，验证其周期特性，本文对Swift卫星的观测数据进行处理，得到了PKS 1510-089光学U波段的光变曲线，并运用傅里叶分析寻找光变曲线中的周期成分.

1 观测数据

Swift伽马暴快速反应探测卫星[9]发射于2004年，搭载有三个协同工作的探测设备：使用编码版成像的伽马暴爆发警示望远镜(BAT,15—150 kev)，X射线望远镜(XRT,0.2—10.0 kev)和在紫外/光学波段对伽马暴余辉成像的紫外/光学望远镜(UVOT,170—600 nm).尽管Swift卫星的首要目标是观测伽马暴及其余辉，但由于它的观测能力覆盖了同步辐射和逆康普顿辐射的能谱范围，使得它被广泛用于耀变体的研究.

从2006年8月起，UVOT探测器对PKS 1510-089从紫外波段(UVW1、UVM2和UVW2)和光学波段(V，B和U)进行了观测.图1展示了2015年7月30日PKS 1510-089的U波段的观测图像，图中曝光时间为79 s.在从Swift数据库获取PKS 1510-089从2006年8月到2016年6月的观测数据后，我们使用美国宇航局的高能天文软件包HEAsoft进行处理.我们首先对待处理波段的所有曝光数据进行合并，其次使用最新的光度校准数据和HEAsoft中的uvotsource任务对目标进行测光.在对PKS 1510-089各波段观测数据进行测光时，测光区域选定为以待测源的中心位置为圆心且半径为5角秒的圆形区域，背景区域则为半径为20角秒且不含待测源的圆形区域.测光所得的星等根据E(B-V)=0.084[10]，Cardelli等[11]的星际消光法则以及Poole等[12]给出的UVOT各波段中心波长进行了星际消光.

图1 PKS 1510-089的Swift/UVOT U波段观测图像

2 时间补偿离散傅立叶变换

傅立叶变换(Fourier Transform)能对时间序列中存在的周期成分进行频域分析，是周期分析的常用方法.在光变周期分析中，如果观测数据是均匀的离散序列x(ti)，i=1，2，3，...，N，则离散傅立叶变换(DiscreteFourierTransform,DFT)可表示为：

(1)

但是天文观测数据多为离散且非均匀的，使用传统的DFT方法需要对观测数据进行插值，从而使频谱中出现伪周期成分。针对这个问题，人们提出了多种改进算法，如：Lomb-Scargle周期图法、CLEANest算法和时间补偿离散傅立叶变换算法等.

时间补偿离散傅立叶变换(Date-compensatedDiscreteFourierTransform,DCDFT)算法由Ferraz-Mello[13]于1981年提出.DCDFT首先利用施密特正交化方法将基函数sinωt、cosωt、1进行正交处理，再将非均匀采样的观测数据投影到正交化后的3个向量上得到频谱，能避免采样间隔与周期相近时频谱中出现伪周期.通常，在给定频率ω处，DCDFT给出功率为：

(2)

式中，y为时间序列模拟函数，s2为方差.关于DCDFT的详细说明请参考Ferraz-Mello的文献[13].

3 光变周期

图2 PKS 1510-089的光学U波段历史光变曲线

平谱射电类星体PKS1510-089从2006年到2016年的光学U波段历史光变曲线如图2所示.光变曲线共包含了206个观测数据，天体最暗时发生在2007年6月15日(16.32星等)，最亮时发生在2009年5月11日(14.19星等)，平均亮度15.71星等，标准偏差0.44.从光变曲线可以看出PKS1510-089活动十分剧烈，在2009年5月，2013年9月和2015年5月均表现出剧烈的爆发.例如2009年5月的爆发，亮度从16.27星等在90天内迅速上升到14.19星等后，又下降到15.94星等，整个爆发持续约180天.从光变曲线的波动可以看出光变可能具有一定的周期性，但各观测数据点之间不是等间隔的，为了定量描述PKS1510-089的周期性特征，下面我们运用DCDFT方法来分析其光变周期.

使用DCDFT的方法分析PKS1510-089光学U波段的光变曲线的结果如图3所示.从图3中可以看出，主峰频率为31.04dB，对应周期约为313天，在该位置出现最强的信号.次高峰频率为29.68dB，对应的周期约为557天.此外，从图3还可以看出，功率谱信号十分嘈杂，在200天和400天附近也出现了较高的峰，对应着可能的周期成分.但是图2中的U波段的光变曲线中存在较多的约200天大小的观测空白，图3中的200天和400天左右的周期成分可能是由这些观测空白造成的.

图3 PKS 1510-089的DCDFT分析

目前，有多种模型对PKS1510-089的周期性光变进行解释.其中，超大质量双黑洞模型认为PKS1510-089的周期性光变可能是由于双黑洞

的交食运动产生的，即次黑洞绕主黑洞转动，次黑洞对主黑洞的掩食造成的.Xie等人[4]发现的P1～0.9年和P2～1.8年的周期正是超大质量双黑洞模型的重要证据.我们的研究表明PKS1510-089是一个非常活跃的天体，在光学U波段可能具有约313天(0.86年)和557天(1.53年)的光变周期.其中，约313天的光变周期与X射线、射电和其它光学波段发现的约0.9年的光变周期[4-8]的结果是一致的，这也说明X射线、射电和光学波段的光变有着共同的起源.至于约1.53年的光变周期，与之前的研究结果并不吻合.这个周期可能是光变存在的真实周期成分，也可能是光学、射电和X射线波段证实的约1.8年的光变周期，由于观测空白影响而造成的伪周期.

4 结论

PKS1510-089是活动剧烈的平谱射电类星体.Swift卫星从X射线、紫外和光学波段对其进行了持续观测.我们从Swift数据库获取了UVOT望远镜的观测数据，使用HEAsoft软件包进行数据处理，得到了PKS1510-089从2006年到2016年的光学U波段历史光变曲线.PKS1510-089的光变曲线呈现复杂而剧烈的变化，以及多个持续时间为数月的爆发.使用DCDFT方法进行周期分析的结果表明，PKS1510-089在光学U波段可能具有313天和557天的光变周期.其中313天的光变周期与X射线、射电和其它光学波段发现的约0.9年的周期是一致的，三个波段的辐射有共同的起源.

[1]UrryC.M.andPadovaniP.Unifiedschemesforradio-loudactivegalacticnuclei[J].Publ.Astron.Soc.Pac.,1995,107,803—845.

[2]UlrichM.H.,MaraschiL.,UrryC.M.Variabilityofactivegalacticnuclei[J].Annu.Rev.Astron.Astrophys,1997,35,445—502.

[3]BottcherM,ReimerA,SweeneyK,etal.Leptonicandhadronicmodelingoffermi-detectedblazars[J].AstrophysJ.,2013,768,54—68.

[4]XieG.Z.,etal.Photometryofthreegamma-ray-loudquasarsandimplicationsforsupermassiveblackholes[J].Mon.Not.R.Astron.Soc.,2002,334,459—470.

[5]XieG.Z.,etal.PeriodicityAnalysisoftheRadioCurveofPKS1510-089andImplicationsforitsCentralStructure[J].AstronJ.,2008,135,2212—2216.

[6]ZhangH.J.,etal.ThecharacteristicperiodicityanalysisoftheradiofluxvariabilityofquasarPKS1510-089[].Sci.ChinaSer.G,2009,52(9):1442—1448.

[7]李孝攀, 张雄, 易庭丰. 类星体PKS1510-089的X波段光变周期特性研究[J]. 云南师范大学学报，2009,29(3):34—37.

[8]李孝攀, 张皓晶, 张雄. 类星体PKS1510-089的X射线流量变化周期特性[J]. 物理学报，2011,60(8):089801.

[9]GehrelsN.,etal.TheSwiftGamma-RayBurstMission[J].AstrophysJ., 2004, 611, 1005—1020.

[10]SchlegelE.F.,FinkbeinerD.P.MeasuringReddeningwithSloanDigitalSkySurveyStellarSpectraandRecalibratingSFD[J].AstrophysJ.,2011,737,103(13pp).

[11]CardelliJ.A.,etal.Therelationshipbetweeninfrared,optical,andultravioletextinction[J].AstrophysJ.,1989,345,245—256.

[12]PooleT.S.,etal.PhotometriccalibrationoftheSwiftultraviolet/opticaltelescope[J].Mon.Not.R.Astron.Soc.,2008,383,627—645.

[13]Ferraz-Mello,S.EstimationofPeriodsfromUnequallySpacedObservations[J].AstronJ.,1981,86,619—624.

Optical Variability Periodicity of the FSRQ PKS 1510-089

PAN Ze-qing, ZHOU Rong, LI Xiao-pan

(School of Physics and Electronic & Information Engineering, Zhaotong University, Zhaotong 657000, China)

We present the U-band light curves of the FSRQ PKS 1510-089 in 2006-2016by performing the original observation data taken from Swift/UVOT archive. PKS 1510-089 shows strong optical variability with timescales from days to years. By means of the date-compensated discrete Fourier transform (DCDFT) method, we found the existence of the periodicities of 313 d and 557 d in the U band.

FSRQ; PKS 1510-089; DCDFT; variability periodicity

2016-08-16

云南省应用基础研究计划(青年项目)(2013FD056)．

潘泽青(1994— )，女，云南昭通人，本科在读，主要从事物理学研究.

李孝攀(1986— )，男，云南昭通人，讲师，硕士，主要从事天体物理研究.

P157.6

A

2095-7408(2016)05-0026-04