费米耀变体的X射线辐射∗

杨江河 樊军辉 张月莲 杨如曙 庹满先 聂建军

(1湖南文理学院物理与电子科学学院 常德 415000)

(2广州大学天体物理中心 广州 510006)

(3广东省教育厅天文观测与技术重点实验室 广州 510006)

(4湖南文理学院数学与计算科学学院 常德 415000)

1 引言

众所周知,耀变体是活动星系核(Active Galactic Nucleus,AGN)的一个最具极端观测性质的子类,其辐射机制,特别是其高能辐射机制备受观注[1−15].继EGRET(Energetic Gamma-Ray Experiment Telescope)之后,又有大量耀变体被Fermi/LAT(Large Area Telescope)发现,极大地推动了高能γ射线辐射机制的研究.根据发射线的不同,耀变体可分为平谱射电源(Flat Spectrum Radio Quasar,FSRQ)和蝎虎天体(BL Lac object,BL Lac).最近,Ghisellini等[16]提出了一种新的分类方法,即由γ射线谱指数与γ射线光度的关系,提出根据宽线区光度和爱丁顿光度的比值(LBLR/LEdd∼5×10−4)将耀变体分为FSRQ和BL Lac.根据巡天方式,BL Lac分为射电选BL Lac(RBL)和X射线选BL Lac(XBL).Giommi等[17]研究了一个含121个BL Lac样本的射电到X射线的谱能分布,发现RBL的同步峰频位于红外到光学波段,XBL的位于紫外到X射线波段.一般来说,耀变体的谱能分布具有双峰结构,第1个峰(低能峰,又称同步峰)位于远红外到软X射线之间,第2个峰(高能峰)位于MeV到TeV波段[3,18−21].大量研究表明,第1个峰由同步辐射产生,一些耀变体的第2个峰由逆康普顿辐射产生,且有的BL Lac天体的第2个峰可用强子模型得到很好的解释[22−24].根据同步峰频的高低,耀变体可分为3类,即:低同步峰(LSP)耀变体,中同步峰(ISP)耀变体和高同步峰(HSP)耀变体[3,25],对于BL Lac天体,该3类分别为LBL(低同步峰BL Lac天体)、IBL(中同步峰BL Lac天体)和HBL(高同步峰BL Lac天体).一些研究者[3,17−18,25−31]计算了不同耀变体样本的谱能分布,并给出了第1个或第2个峰的频率.在用同步峰频对数值lg(νp/Hz)的大小对耀变体进行分类时,不同的文献所给出的用于耀变体分类的同步峰频值存在较大差异.如文献[25]的分类边界为(14.5,16.5),即lg(νp/Hz)614.5的源归为LSP,14.516.5的源为HSP;文献[3]的分类边界值为(14,15),文献[24]的为(14.0,15.3);文献[30]只对BL Lac天体进行了分类,并分为2类,分类边界为15,即,lg(νp/Hz)小于15的为LBL,大于15的为HBL.

在耀变体能谱中,X射线辐射处于同步辐射的尾部和逆康普顿辐射的开始,因此,X射线的辐射起源较复杂,不同峰频耀变体的辐射机制存在差异.本文将对耀变体同步辐射部分的谱能分布进行分析,并以此讨论不同类型耀变体的X射线辐射的差异.

2 X射线辐射组成

耀变体的全波段谱能分布(SED)显示有明显的2个峰.目前研究认为第1个峰由同步辐射产生,第2个峰主要由逆康普顿辐射产生.X射线能谱在2个峰之间,位于同步辐射之尾,逆康顿辐射之首,因此,X射线辐射可能含有多个辐射成份.

文献[3,24–26,29]计算了不同耀变体样本的同步辐射部分的谱能分布,用抛物线函数对谱进行了拟合,并视所得拟合线顶点所对应的频率为同步峰频,给出了大量耀变体在观测坐标系中的同步峰频.如Fan等[25]用抛物线函数拟合的3FGL 0118.8-2142同步辐射的SED如图1所示.图1中横坐标为频率的对数;纵坐标是以频率乘以流量密度表示的流量(单位erg·cm−2·s−1)的对数;曲线根据源的多波段数据由抛物线函数lg(νfν)=P1(lgν−P2)2+P3拟合得到,参数P1、P2和P3的物理意义分别为抛物线的曲率、观测坐标系中的同步峰频(lgνp)和同步辐射峰流量(lg(νpfνp)).根据SED的物理意义,图1中的拟合抛物线可近似为3FGL 0118.8-2142的同步辐射谱.

Yang等[32]2018年研究了耀变体的有效谱指数性质,得到用射电、光学及γ射线流量反映X射线流量的2个方程,即:对于FSRQ和LBL有或lgfX∼0.42lgfR+0.58lgfγ;对HBL有或lgfX∼0.69lgfO+0.31lgfγ.式中,fR、fO、fX和fγ分别为射电1.4 GHz、光学R波段(4.68×1014Hz)、X射线1 keV和γ射线1 GeV流量密度.若射电、光学辐射由同步辐射产生,γ射线辐射由逆康普顿辐射产生,文献[31]指出X射线辐射由同步辐射及逆康普顿辐射2个成份组成,并且对于FSRQ和LBL,逆康普顿成份多于同步辐射成份,而对于HBL,同步辐射成份多于逆康普顿辐射成份.由此,若假定fR、fO代表同步辐射成份,fγ代表逆康普顿成份,则关于X射线辐射有如下方程:

对于FSRQ和LBL,

对于HBL,

(1)–(2)式中,fSyn和fIC分别表示同步辐射和逆康普顿辐射流量密度.

图1 3FGL0118.8-2142的谱能分布.图中,SX为观测X射线流量,SSyn为X射线辐射的同步辐射成份,CIC为SX与SSyn的差,即CIC=SX−SSyn.Fig.1 The spectral energy distribution for 3FGL 0118.8-2142.SXis the observed X-ray flux,SSynis the synchrotron components of X-ray emissions,and CICis the difference between SXand SSyn,namely,CIC=SX−SSyn.

图1 所示3FGL 0118.8-2142的SED图中,X射线只有1个观测数据,观测流量为SX.根据文献[31]的结果,图1中SSyn应为X射线的同步辐射成份,那么逆康普顿辐射成份为

其中,SX=lg(νXfX),SSyn=lg(νXfSyn),νX为X射线的观测频率.同步辐射成份SSyn可从拟合结果求得,即

其中,P1,P2和P3为拟合参数,用抛物线函数拟合源的SED得到,如拟合3FGL 0118.8-2142的SED得到P1=−0.17±0.01,P2=13.18±0.07和P3=−11.72±0.07(图1).本文在计算SSyn时,所用到的3个参数来自文献[24].

按X射线辐射由同步及逆康普顿辐射2个成份组成的观点[32],有fX=fSyn+fIC,即

3 耀变体样本

Fan等[25]2016年从NED(NASA/IPAC Extragalactic Database,http://ned.ipac.caltech.edu/)中收集了1425个费米耀变体从射电到X射线的多波段数据,研究了它们的谱能分布(SED),并用抛物线方程lg(νfν)=P1(lgν−P2)2+P3拟合了其谱能分布,成功给出了1392个耀变体的谱曲率(P1)、同步峰频(P2,lgνp)和峰流量(P3,lg(νpfνp))等参数.1392个费米耀变体中,有461个FSRQ,620个BL Lac,311个未知类型耀变体(blazars of uncertain type,BCU).在1081个FSRQ和BL Lac天体中,有660个耀变体(269个FSRQ,391个BL Lac)从NED中获得了X射线数据.本文将以这660个有X射线数据的耀变体为样本,分析耀变体的X射线辐射.

从图1可见,3FGL 0118.8-2142只有1个X射线数据点,该点位于抛物线的上方,因此,可用(3)–(5)式计算得到该源的同步及逆康普顿辐射流量.显然,若用拟合得到的抛物线表示同步辐射谱,对于所有的源,X射线数据点并不会全部位于拟合线上方,也有可能位于拟合线的下方.在Fan等[25]给出的660个有X射线数据的耀变体的SED中,有436个源的X射线1 keV数据点位于拟合线上方或拟合线上,224个源的位于拟合线下方.若X射线数据点位于拟合线下方,则由(3)–(5)式计算得到的逆康普顿辐射流量为负值,这显然不合理.因此,当X射线数据点位于拟合线的下方时,则应认为用抛物线函数拟合所得拟合线(右半部分)未真实反映同步辐射高能部分的辐射谱,高能部分的谱线应更陡一些.如3FGL J1150.3+2417,其谱能分布如图2所示[25].该源有2个X射线观测数据,流量(lg(νfν))分别为SX1和SX2.粗实线为抛物线拟合结果,图2显示,2个X射线数据点均位于抛物线的下方.较细曲线(左侧为实线,右侧为虚线)是用3次方程拟合所得拟合线.显然,较陡的细虚线更能反映3FGL J1150.3+2417同步部分的高能辐射谱,这说明抛物线确实不能严格准确地反映同步辐射的能谱.

图2 3FGL 1150.3+2417的谱能分布.图中SX1和SX2为2次观测的X射线流量,SSyn1(SSyn2)为与观测流量SX1(SX2)对应的同步辐射成份.Fig.2 The spectral energy distribution for 3FGL 1150.3+2417.SX1and SX2are the twice observed X-ray fluxes,and SSyn1(SSyn2)is the components of synchrotron emissions corresponding to the observed flux SX1(SX2).

对于X射线数据点位于拟合线下方的情形,由于对这些源没有做更精确的同步辐射谱拟合,因此,本文在以下的分析中不考虑这种情形,仅以X射线数据点位于拟合线上或拟合线上方的436个源为样本做一些相关分析.

4 结果

本文计算了436个耀变体样本源1 keV处的流量密度(fX),并根据(3)–(5)式计算了各源的同步和逆康普顿分量(fSyn、fIC和CIC). 讨论了如下一些相关关系:lgfX与0.42lgfSyn+0.58lgfIC(FSRQ、LBL)和0.69lgfSyn+0.31lgfIC(HBL);lgfX、lgfIC、lgfSyn及CIC与lgνp.所得结果如图3和图4,线性拟合结果如表1所示.表1中:线性拟合方程表述为y=(a±∆a)+(b±∆b)x;r为相关系数;p为随机概率;n为样本量;T为总样本、F代表FSRQ、B代表BL Lac、H代表HBL、L代表LBL.同步峰频(lgνp)来自文献[24].

图3 X射线流量与其分量组合的关系Fig.3 The correlations between X-ray flux densities and the combination of different X-ray components

图4 同步峰频与X射线流量、同步辐射和逆康普顿分量的关系Fig.4 The correlations of synchrotron peak frequencies with X-ray flux densities,synchrotron emission,and inverse Compton components

表1 两参数相关的线性回归结果Table 1 The linear fitting results for the correlations between two parameters

5 讨论

由文献[31]得到关于X射线流量的两个近似表达式:对于FSRQ和LBL有,lgfX=0.42lgfSyn+0.58lgfIC;对于HBL有,lgfX=0.69lgfSyn+0.31lgfIC.本文也讨论了这两个关系,结果如图3和表1所示.

图3和表1显示:对于FSRQ、LBL及FSRQ+LBL样本,lgfX与0.42lgfSyn+0.58lgfIC有很好的正相关,r分别为0.77、0.86和0.77,p均小于0.0001;对于HBL样本,lgfX和0.69lgfSyn+0.31lgfIC有很好的正相关,r为0.96,p小于0.0001.该结果表明,方程(1)和(2)是可信的.因此,可以进一步确认X射线辐射由同步辐射及逆康普顿辐射2个成份组成.并且FSRQ与LBL一样,其逆康普顿成份多于同步辐射成份,因此,或许LBL与FSRQ的X射线有类似的辐射机制;而对于HBL,其同步辐射成份多于逆康普顿辐射成份[32].也就是说,若源的同步峰频较高,则其X射线中的同步辐射成份较高,逆康普顿成份较低.

根据(3)–(5)式,本文计算了436个耀变体的fX及fSyn和fIC.计算得到各子样本的fSyn及fIC所占总辐射的平均值如表2所示.从表2可知:对于较低峰频的样本,FSRQ、LBL及FSRQ+LBL,其逆康普顿成份占总辐射的比值(>73%)高于同步辐射成份(<27%);而对于较高峰频的HBL样本,其逆康普顿成份占总辐射的比值(27%)小于同步辐射成份(73%).因此,高峰频源有高的同步辐射成份和低的逆康普顿辐射成份,而低峰频源有高的逆康普顿辐射成份和低的同步辐射成份.该结果与前面的结果及Yang等[32]的结果是一致的.

表2 不同类型耀变体的X射线同步分量与逆康普顿分量占总辐射比值的平均值Table 2 The averaged ratio of synchrotron component and inverse Compton component to the total X-ray emissions for different samples

图4(a)和表1显示:对于总样本(T)、BL Lac及其子类HBL样本,lgfX与lgνp存在正相关关系,r分别为0.55、0.57和0.36,p分别<10−4、<10−4和=1.23 × 10−4; 对于FSRQ样本,lgfX与lgνp没有相关;对于LBL,二者之间存在一个弱的负相关(r=−0.47,p=1.48%).HBL的X射线辐射主要来自同步辐射,而FSRQ和LBL的X射线辐射主要来自逆康普顿辐射,因此导致了以上不同类型天体的X射线辐射与同步峰频之间的一些关系,该结果与Fan等[25]的结果是一致的.

图4(b)和表1显示lgfIC与lgνp之间:对于总样本(T),二者没有相关(r=0.11,p=1.98%);对于FSRQ和LBL,存在负相关趋势(FSRQ:r=−0.26,p=1.74×10−4,LBL:r=−0.54,p=4.68×10−3);对于HBL,存在正相关趋势(r=0.28,p=3.44×10−3).

从图4(a)中的散点分布可以看出,X射线流量与同步峰频存在正相关的趋势,但图4(b)显示,除去同步成份后,即X射线的逆康普顿成份与同步峰频几乎无相关.这一结果表明,同步峰频与同步辐射有较好的关系,这也是显然的,如同步峰频与射电辐射有较好的相关[25−26].

图4(c)和表1显示lgfSyn与lgνp之间,对所有样本均存在很好的正相关,相关系数在0.41–0.79之间,随机概率均小于0.0001. 图4(d)和表1显示CIC与lgνp之间: 对于总样本(T)、FSRQ及LBL样本,均存在好的负相关关系,相关系数分别为−0.65、−0.82和−0.73,随机概率均小于0.0001;对于HBL,二者没有相关.

从图4(c)的散点分布可以看出,随着同步峰频的升高,同步分量非线性增加.对于低峰频(约小于1014.5Hz)源,随着同步峰频的增加,同步分量几乎线性增加;但对于中、高峰频(约大于1014.5Hz)源,随着峰频的升高,同步分量只是略有增加.从图4(d)的散点分布可以看出,随着同步峰频的升高,逆康普顿成份分量值(CIC)非线性减小.对于低峰频(约小于1014.5Hz)源,随着同步峰频的增加,代表逆康普顿成份的变量CIC几乎线性减小;但对于中、高峰频(约大于1014.5Hz)源,随着同步峰频的升高,CIC几乎不变.虽然图4(c)和图4(d)中的散点分布形状与所选用的抛物线函数有关,但2图的散点分布能够反映出同步峰频与同步分量及逆康普顿分量之间的变化关系.

6 结论

若用抛物线函数拟合耀变体的射电到X射线波段的谱能分布所得到的拟合线表示其辐射谱线,分析Fermi耀变体的X射线辐射,可得到以下结论:

(1)耀变体的X射线辐射包含同步辐射和逆康普顿辐射2个成份;若用抛物线函数拟合耀变体同步辐射(射电到X射线波段)谱能分布所得到的曲线表示其同步辐射谱,则抛物线函数拟合线可将X射线的同步辐射和逆康普顿辐射分开.

(2)对于FSRQ和LBL,逆康普顿成份多于同步辐射成份,而对于HBL,同步辐射成份多于逆康普顿辐射成份.高峰频源有高的同步辐射成份和低的逆康普顿辐射成份,而低峰频源有高的逆康普顿辐射成份和低的同步辐射成份.

(3)在X射线1 keV处,对于FSRQ、LBL和HBL,其同步辐射成份占总辐射的比例分别约为20%、30%和70%.

(4)同步峰频与X射线1 keV处的观测流量密度有正相关趋势,与同步辐射流量密度有强正相关,而与逆康普顿辐射流量密度无相关.

(5)LBL与FSRQ的X射线可能有类似的辐射机制.