费米耀变体喷流功率与黑洞质量的相关性研究①

山玉莲, 龚小龙

(长江大学物理与光电工程学院，湖北 荆州 434020)

0 引 言

喷流的加速机制和演化过程尚未有定论。但是目前学者们已经提出了一些喷流的理论模型用以解释喷流的加速机制，常见的有Blandford-Znajek(BZ)机制[4]，Blandford-Payne(BP)机制[5]，Meier[6]提出的杂化喷流模型等。在BZ机制和杂化喷流模型这两种非常有影响力的模型中，中央大质量黑洞的旋转能量或吸积物质的能量和角动量被连接黑洞视界的大尺度磁场提取出来并转化成喷流的运动功率，因此我们有理由相信喷流功率与黑洞质量存在某种内在联系。

主要目的是考虑耀变体相对论性喷流的集束效应对射电以及光学波段的影响，在去除集束效应的多普勒增亮的影响之后，利用内禀γ射线的光度重新估算耀变体两亚类的喷流功率与黑洞质量，研究黑洞质量与喷流功率之间的相关关系。

1 样本描述

采集具有可靠的内禀γ射线光度、黑洞质量以及喷流功率的耀变体作为研究样本，样本的黑洞质量和喷流数据均来源于Xiong et al.(2018)[7]，经过筛选，留下了个70个符合要求的样本，包括35个蝎虎天体35个平谱射电类星体。

1.1 黑洞质量

假设宽线区的发射线云受中心黑洞的引力束缚而为绕黑洞旋转，如果发射线云的运动是维里化的，中央黑洞的质量则可以根据MBH=RBLRV2G-1得，大多数样本的黑洞质量由反响映射计算得到。对于一些蝎虎天体，黑洞的质量由核球速度弥散得到。还有一些源的黑洞质量由光变时标估算得到。对于同一个样本，当同一样本出现几个不同的黑洞质量时取平均数作为最终黑洞质量。

1.2 喷流功率

Cavagnolo et al.(2010) 发现了巨大椭圆星系中存X射线空腔，并估算了使这些空腔或气泡膨胀所需的喷流功率[8]，得到了“空腔”功率与射电光度之间的经验公式

(1)

喷流与周围星际介质相互作用产生空腔，从某种意义上说，喷流的功率等于空腔的功率即Pjet=Pcav。但由于并不是所有天体都能检测到这种空腔，故这种方法只适用于少量有可明显空腔的射电源。根据Cavagnolo et al.(2010) 提出的Pjet和Pradio之间的相关性，Meyer et al.(2011) 选择300 MHz处的低频延展光度来估算耀变体的喷流功率[9]。继Meyer et al.(2011) 的研究之后之后，Nemmen et al.(2012) 利用γ射线光度估算了一个大样本费米耀变体的喷流动能[10]。

将收集的数据进行整理如表1。表1中左边四列为平谱射电类星体样本的各项数据：列(1)样本名称；列(2)：黑洞质量的对数(单位为M⊙)；列(3)内在γ射线光度(单位为erg·s-1)列(4)喷流功率的对数(单位为erg·s-1)。右边四列为蝎虎天体样本的各项数据：列(5)样本名称；列(6)：黑洞质量的对数(单位为M⊙)；列(7)内在γ射线光度(单位为erg·s-1)列(8)喷流功率的对数(单位为erg·s-1)。

表1 Blazar样本数据

2 分析结果及讨论

图1和图2分别是BL Lacs和FSRQs黑洞质量和喷流功率的关系图，利用一元线性回归的方法分析了两类耀变体的黑洞质量与喷流功率之间的相关性，可以明显地看到，FSRQs的黑洞质量与喷流功率之间具有强相关性，而BL Lacs的黑洞质量与喷流功率之间相关性很弱。

图1 平谱射电类星体黑洞质量对喷流功率

图2 蝎虎天体黑洞质量对喷流功率

Sbarrato等(2012) 研究了一个费米样品，发现γ射线光度可以作为喷流功率的表征[11]，但是他们没有考虑集束效应对γ射线光度的影响。我们在考虑了集束效应对γ射线光度的影响之后，发现耀变体喷流功率还与黑洞相关。由图1可以看到，FSRQs的喷流功率与黑洞质量之间存在非常强的相关性，但是通过图2很容易看出BL Lacs的喷流功率与黑洞质量之间的这种相关关系非常弱。导致这种情况的原因可能是FSRQs是演化早期的耀变体，此时喷流较弱，用于计算黑洞质量的连续谱光度受喷流影响较小，计算得出的黑洞质量更为可靠；而BL Lacs是演变后期的结果，此时的喷流的光学辐射中具有非常强的由非热同步辐射的集束效应引起的多普勒增亮，导致连续谱光度偏大进而导致计算的黑洞质量偏大。另一种可能的原因就是样本中所包含的BL Lacs数量少，这也会导致BL Lacs的黑洞质量与喷流功率的相关性较差。

3 结 语

通过对包含70个耀变体样本的黑洞质量，内禀γ射线光度和喷流功率的研究，得出以下结论：在去除相对论集束效应对射电及光学波段的影响后，利用γ射线计算得到的FSRQs喷流功率与黑洞质量之间具有强相关关系，而BL Lacs的喷流功率与黑洞质量之间相关性很弱。导致这种差异性的原因可能是两类耀变体内禀性质的不同，也可能是由于系统计算误差，要验证这个问题还需收集更大的具有可靠数据的耀变体样本作进一步研究。