俞效齡， 張雄， 熊定榮， 茶永娟， 陳永云

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

1 引 言

BL Lac天體屬于Blazar的一個子類，是觀測特性非常特殊的活動星系核，形態(tài)類似于恒星，有快速而不規(guī)則的光變[1].BL Lac天體的主要特征有[2]：快速光變；高偏振；非熱連續(xù)光譜；光譜中沒有或只有很弱的發(fā)射線，也只有很弱的吸收線，這也是BL Lac天體獨有的特點.

自從2008年Fermi衛(wèi)星發(fā)射，其靈敏度比EGRET要高很多，由此進入了一個全新的blazar研究時期，很多的模型被提出來解釋伽馬射線輻射的起源，包括：同步自康普頓散射模型(SSC)[3]；逆康普頓散射來自吸積盤的軟光子[4-5]；逆康普頓散射被周圍的氣體和塵埃散射的軟光子或者散射寬線區(qū)氣體云產(chǎn)生的軟光子[6-9]；極端相對論性正負(fù)電子的同步輻射[9-10]；極端相對論性質(zhì)子與電磁波和核子相互作用[11-13].但是，究竟哪一個才是高能伽馬射線的主要輻射過程還沒有定論.

由于BL Lac天體具有大幅快速光變的特性，因此在進行多波段流量或光度相關(guān)性分析時，準(zhǔn)同時或類準(zhǔn)同時的多波段數(shù)據(jù)是必要的[14]，但是，由于觀測的限制，不能得到一個大樣本的準(zhǔn)同時或類準(zhǔn)同時的多波段數(shù)據(jù).本文通過收集費米BL Lac 天體多波段同時期數(shù)據(jù)(伽馬，中紅外，射電 5 GHz)，對多波段流量和光度之間的相關(guān)性進行研究，進而研究費米BL Lac天體的高能伽馬射線和紅外射線的輻射機制.文中的第2部分是樣本描述和相關(guān)性分析，所取的宇宙學(xué)常數(shù)：H0=70 Km·s-1·Mpc-1，Ωm=0.3，ΩΛ=0.7.第3部分是討論和結(jié)論.

2 樣本描述和相關(guān)性分析

2.1 樣本描述

目前為止，費米廣角望遠(yuǎn)鏡(Fermi Larye Area Telescope,Fermi LAT)已經(jīng)探測到大量的blazars平譜射電類星體(Flat-Spectrum Radio Quasars和BL Lacs).兩年(2008年8月—2010年7月)的Fermi活動星系核第二源表(2LAC)包括1071個γ射線源[15].這些γ射線源包括886個活動星系核(Active Galactic Nucleis,AGNs)其中395個BL Lacs，310個FSRQs，157個不知道具體類型的blazars，8個非blazars的AGNs，4個窄線的Seyfert 1星系，10個其它類型的AGNs和2個星爆星系.源探測到的流量是基于24個月的平均流量[16].

寬紅外巡天探測衛(wèi)星(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)于2009年12月14日發(fā)射，用來取代1999年3月發(fā)射失敗的廣角紅外探測器[17].WISE搭載口徑40 cm的紅外線望遠(yuǎn)鏡，以3.4～22 μm的波長進行巡天:它在2010年1月14日開始巡天，于2010年7月17日完成了第一輪全天區(qū)巡天[18].我們得到了從2009年11月到2010年7月甚長基線天線陣列(VLBA)同時期的觀測到了5 GHz的數(shù)據(jù)，一共收集了232個5 GHz的數(shù)據(jù)[19].

我們盡可能地選擇最多的Fermi LAT探測到的BL Lacs，這些BL Lacs有可靠的多波段的數(shù)據(jù)，具體步驟為：首先考慮395個費米BL Lac天體,然后分別和WISE的第一輪全天區(qū)巡天數(shù)據(jù)、VLBA射電5 GHz數(shù)據(jù)進行交叉驗證.最后收集了51個BL Lac天體的樣本.從時間上看，所選取的多波段數(shù)據(jù)是同時期的，并且部分?jǐn)?shù)據(jù)可能是同時或準(zhǔn)同時的.對于這樣的樣本，研究結(jié)果具有很好的參考價值.

對于中紅外四個波段的星等值，我們通過視星等與輻射流量的轉(zhuǎn)換關(guān)系[20]

m-m0=2.5log(F0/F)

(1)

式中F0為0星等時天體輻射的流量密度，m為視星等，由(1)式得：

(2)

logF=logF0-0.4m

(3)

其中m必須進行星際消光和紅化修正，式中F0為該波段零星等的流量.利用(1)式就可以將星等值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的流量值.對射電波段、伽馬波段和紅外波段的所有流量進行K修正，K修正的公式為[14]

F(υ)=Fobs(υ)(1+z)α-1

(4)

式中z是紅移，對于紅移未知的，取樣本的平均紅移值，即z=0.35，α是譜指數(shù)，在射電波段，取αR=0，在紅外波段，取αIR=0，在伽馬波段，取αγ=αph-1.

在計算光度時，我們采用的公式為[21]

(5)

(6)

式中dL為光度距離.

2.2 流量密度相關(guān)性分析

利用相關(guān)分析方法對射電波段、伽馬波段、紅外波段流量密度之間的相關(guān)性進行分析，在表1中列出了分析結(jié)果.主要的分析結(jié)論如下：

(1)在選取的51個BL Lac源中，F(xiàn)γ與FR之間相關(guān)性顯著，偶然概率為0.001 57.

(2)在選取的51個BL Lac源中，F(xiàn)γ與紅外的四個波段(W1-W4)都有強的相關(guān)性，四個波段中，從Fγ與FW1到Fγ與FW4的相關(guān)性逐漸增強，偶然概率均小于0.000 1(表1).

表1 伽馬波段和紅外波段及射電波段和紅外波段流量之間的相關(guān)性分析結(jié)果

注：線性回歸方程為Y=A+BX ,X是自變量；r是相關(guān)系數(shù)；SD是回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)偏差； σ是r的標(biāo)準(zhǔn)偏差 σ=(1-r2)/(N-1)1/2；N是源的個數(shù)；P是偶然概率，當(dāng)P值小于0.05的置信水平說明具有顯著的相關(guān)性.

(3)在選取的51個BL Lac源中，F(xiàn)R與FW1波段，F(xiàn)R與FW2波段相關(guān)性顯著，偶然概率分別為0.003 82、5.791 98×10-4，F(xiàn)R與FW3和FR與FW4之間有強相關(guān)性，偶然概率全部小于10-4，并且同樣是從FR與FW1到FR與FW4的相關(guān)性逐漸增強.

表2 光度的相性分析的結(jié)果

2.3 光度的相關(guān)分析

對于光度的分析，有研究指出[22]，光度和紅移有很強的相關(guān)性，并且會導(dǎo)致偽相關(guān)結(jié)果的出現(xiàn)，因此，我們利用偏相關(guān)的方法，排除紅移的影響，來分析射電波段、伽馬波段、紅外波段光度之間的相關(guān)性[23].偏相關(guān)分析的結(jié)果列在表2中，主要的分析結(jié)果為：

(1)在選取的51個BL Lac源中，logLγ與logLR之間有顯著的相關(guān)性.

(2)在選取的51個BL Lac源中，logLγ與紅外的四個波段(W1-W4)波段都有顯著的相關(guān)性，四個波段中，從logLγ與logLW1到logLγ與logLW4的相關(guān)性逐漸增強.

(3)在選取的51個BL Lac源中，logLR與中紅外的四個波段(W1-W4)波段都有顯著的相關(guān)性，四個波段中，從logLR與logLW1到logLR與logLW4的相關(guān)性逐漸增強.以上偏相關(guān)分析結(jié)果中，相互之間的偶然概率均小于10-4.

3 討論和結(jié)論

在選取準(zhǔn)同時或類準(zhǔn)同時的51個BL Lac費米源樣本中，通過相關(guān)性分析，得到Fγ與FR之間顯著相關(guān)，F(xiàn)γ與紅外的四個波段(W1-W4)都有強的相關(guān)性，從而限制了高能伽馬射線的輻射機制和模型.很多的研究者對Fγ與FR之間可能的相關(guān)性進行研究.通過研究61個伽馬噪的EGRET blazars，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伽馬和射電流量之間沒有相關(guān)性[14].通過研究26個伽馬噪的EGRET blazars，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伽馬和射電流量之間沒有相關(guān)性[24].1998年，F(xiàn)an等[25]研究了伽馬射線和230 GHz射電流量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了伽馬射線輻射和高頻射電輻射(1.3 mm,230 GHz)最大值之間的相關(guān)性比伽馬射線輻射和低頻射電輻射(5 GHz,6 cm)之間的相關(guān)性要強.近年來，隨著Fermi衛(wèi)星的發(fā)射，許多的研究者對不同的Fermi樣本進行研究.Nieppola等[26]用Fermi活動星系核第一源表(1LAC)和37 GHz的數(shù)據(jù)，對249個AGNs進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fermi伽馬射線和37 GHz流量密度顯著相關(guān).Ackermann等[27]對Fermi活動星系核第一源表(1LAC)的伽馬射線和8.4 GHz、15 GHz的流量分析，發(fā)現(xiàn)厘米波的射電流量和伽馬射線的能量流量之間有很高的顯著正相關(guān).Ghirlanda 等[28]考慮了由于流量限制和伽馬射線流量的變化引入的選擇效應(yīng)，得到的結(jié)論是20 GHz射電流量和伽馬射線之間的相關(guān)性是真實的.與此同時，我們用偏相關(guān)分析的方法分析了伽馬波段和射電波段的光度(logLγ與logLR)，它們之間同樣有顯著的相關(guān)性.以上的分析表明：射電的輻射區(qū)是在噴流里，而且還說明了同步自康普頓輻射(SSC)是射電輻射的主要輻射機制.

其次，我們發(fā)現(xiàn)Fγ與中紅外的四個波段(W1-W4波段)有強的相關(guān)性，這也能說明伽馬射線的輻射和中紅外的輻射相關(guān).Xie 等[24]發(fā)現(xiàn)伽馬射線和近紅外的流量變化是相同的，我們的分析結(jié)果給了一個證據(jù)：相對論電子的逆康普頓(IC)散射出的紅外光子引起了伽馬射線的變化.解釋IC散射的紅外光子的起源有兩種模型：Wagner 等[29]提出的熱核周圍的塵埃模型和Xie 等[7]提出的同步輻射模型.Xie 等[24]發(fā)現(xiàn)紅外區(qū)的變化伴隨著伽馬射線的變化，Ghisellini和Maraschi[30]同樣發(fā)現(xiàn)了同步輻射和IC流量一起變化，同樣，我們用偏相關(guān)分析的方法分析了伽馬射線與中紅外四個波段之間的光度相關(guān)性做了分析，發(fā)現(xiàn)logLγ與紅外的四個波段(W1-W4)波段都有顯著的相關(guān)性，而且四個波段中，從logLγ與logLW1到logLγ與logLW4的相關(guān)性逐漸增強.根據(jù)上面的討論，可以得到：同步輻射產(chǎn)生了紅外光子，伽馬射線是通過相對論電子的逆康普頓(IC)散射這些紅外光子產(chǎn)生的.而且隨著紅外波段波長的逐漸變長，相關(guān)性越好，越吻合上述的討論結(jié)論.

Bregman 等[31]提出BL Lac天體的射電輻射是非熱的，根據(jù)51個BL Lac源與5GHz射電流量的分析結(jié)果可以看出，隨著中紅外波段波長的逐漸變長，與射電流量的相關(guān)的顯著性越好；同樣，對射電和中紅外的四個波段的光度也做了偏相關(guān)分析，結(jié)果表明，logLR與中紅外的四個波段(W1-W4)波段都有顯著的相關(guān)性，四個波段中，從logLR與LogLW1到logLR與logLW4的相關(guān)性逐漸增強，由此，上述中紅外波段流量與射電波段流量的顯著相關(guān)性和中紅外光度和射電光度的顯著相關(guān)性也很好的說明中紅外輻射更可能是非熱輻射主導(dǎo)的.這個結(jié)果支持了文獻[31]提出的BL Lac天體的射電輻射是非熱的這一結(jié)論.

(由于文章篇幅限制數(shù)據(jù)表沒有附在文章中，如有需要請和第一作者聯(lián)系)

參 考 文 獻:

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