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費米耀變體多波段輻射流量相關性研究*

李斯，王艷芳，龍光波，鄭永剛

(云南師范大學 物理與電子信息學院,云南 昆明 650500)

摘要：收集了818個費米耀變體樣本源(包括327個BL Lac天體和491個FRSQs)的射電輻射流量FR、X射線輻射流量FX、γ射線輻射流量Fγ以及相關的物理參量，并根據(jù)同步輻射峰值頻率將樣本源分為高同步輻射峰頻耀變體(HSP)、中同步輻射峰頻耀變體(ISP)和低同步輻射峰頻耀變體(LSP)三種類型.分別對HSP、ISP和LSP的射電、X射線和γ射線輻射流量之間的相關性進行統(tǒng)計分析，得到以下結論：(1)對于HSP和ISP，F(xiàn)γ和FR之間存在顯著的線性相關，而對于LSP，F(xiàn)γ和FR之間僅有低度線性相關；(2)在HSP、ISP和LSP中，F(xiàn)γ和FX之間均存在低度線性相關性；(3)在HSP中，F(xiàn)R和FX之間存在低度線性相關性，在ISP中，F(xiàn)R和FX之間沒有相關性，而在LSP中，F(xiàn)R和FX之間則表現(xiàn)為顯著線性相關.上述研究結果與Fan和Dondi利用高能γ射線實驗望遠鏡(EGRET)觀測到的數(shù)據(jù)研究結果一致.另外，上述研究結果表明費米γ射線輻射主要產(chǎn)生于同步自康普頓(SSC)過程.

關鍵詞：耀變體;輻射;相關分析

1引言

目前,費米(Fermi-LAT)三期(3FGL)活動星系核的相關數(shù)據(jù)[1]已經(jīng)發(fā)布，這為了解河外天體的輻射起源提供了重要觀測資料.一直以來,許多模型被提出來用于解釋耀變體γ射線輻射的起源[2-3],例如:(1)同步自康普頓模型(SSC)模型[4]、(2)通過吸積盤產(chǎn)生光子的逆康普頓散射模型[5-6]、(3)通過周圍物質或通過寬線云再生散射模型[7-9]、(4)極端相對論性正負電子同步輻射模型[10-11]、(5)通過超相對論核子碰撞的電磁級聯(lián)模型[12-14].由于不同的輻射模型暗示著不同波段之間含有不同的關聯(lián),因此可以利用這些關聯(lián)性來研究相應的輻射機制.

Fan等人曾經(jīng)利用高能γ射線實驗望遠鏡(EGRET)觀測到的數(shù)據(jù)研究了γ射線和射電輻射之間的相關性,發(fā)現(xiàn)它們之間存在緊密的相關性[15],而Dondi等人也利用了EGRET數(shù)據(jù)進行研究并表明γ射線與射電輻射之間的相關性比與X射線間的更好[16].本文則利用最新的3FGL數(shù)據(jù),在依據(jù)同步峰輻射頻率的統(tǒng)計性質對數(shù)據(jù)源進行分類的基礎上,對γ射線輻射流量密度Fγ、射電輻射流量密度FR和X射線輻射流量密度FX之間的相關性進行了研究,并對得到的相關性統(tǒng)計結果進行分析.我們的工作一方面是為了驗證Fan和Dondi的研究結論是否對費米數(shù)據(jù)同樣適用,另一方面也是為了進一步分析γ射線的輻射機制.

2數(shù)據(jù)

2.1數(shù)據(jù)分類

表1　費米三期活動星系核SED分類

2.2數(shù)據(jù)處理*由于數(shù)據(jù)較多,此處不再一一列出，如有需要與作者聯(lián)系

根據(jù)文獻[1],搜集并整理出了798個樣本源的相關數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括以下幾類:(1)費米名稱;(2)其他名稱;(3)光學類型(分為BL LAC和FRSQs);(4)紅移z;(5)SED類型(分為LSP、ISP和HSP),(6)γ射線輻射觀測流量N(單位為photons·cm-2·s-1);(7)γ光譜指數(shù)α;(8)γ光子光譜指數(shù)Γ;(9)1.4 GHz對應的射電輻射流量密度FR(單位為mJy);(10)0.1～2.4 keV對應的X射線輻射流量密度(單位為erg·cm-2·s-1).

2.2.1γ射線輻射流量密度的數(shù)據(jù)處理

假設γ光子流量和γ光子光譜指數(shù)滿足以下冪律譜關系：

(1)

其中E是光子能量,單位為GeV；N是觀測到的在EL～EU光子能量范圍內的γ初始光子流量,單位是photons·cm-2·s-1；N0為初始流量；Γ為γ光子光譜指數(shù).根據(jù)文獻[18],可以得到以下運算公式

(2)

γ光子平均能量

(3)

由于能量為E(GeV)上γ光子流量密度為

f(E)=6.62607×10-4N0E1-Γ(Jy)

(4)

因此平均能量為Ea,ph(GeV)上的γ光子流量密度為

(5)

2.2.2k修正的考慮

鑒于所選用的坐標系不同,有時需要考慮對所選用的流量密度數(shù)據(jù)進行k修正,修正公式如下

(6)

3數(shù)據(jù)分析與結果

采用一元線性回歸的分析方法對γ射線輻射流量密度Fγ、X射線輻射流量密度Fx和射電輻射流量密度FR進行了相關性分析,結果列于表2中(在表2中x為自變量,y為因變量,線性關系的表達式為y=A+Bx,N是數(shù)據(jù)點的個數(shù),r為線性相關系數(shù),p為置信度,SD為回歸方程的標準偏差).γ射線、射電輻射和X射線這個三個波段的流量密度間的關系圖如圖1、圖2、圖3所示.

表2　流量密度相關性分析結果

圖1　HSP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關性

圖2　ISP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關性

圖3　LSP的γ射線、射電輻射和X射線間的相關性

根據(jù)上述分析，可得如下結論：

(1)對Fγ和FR間的相關性而言,在HSP、ISP和LSP類型中,Fγ和FR間均存在相關性.其中就HSP和ISP這兩種類型中顯現(xiàn)出的相關性比較顯著,相關系數(shù)分別為rHSP=0.57,rISP=0.63,置信度均為P<0.000 1.而對于LSP而言,rLSP=0.44,P<0.000 1,相關性較低.

(2)在HSP、ISP和LSP三種類型中,Fγ和FX間均有低度線性相關性存在.

(3)對于FR和FX間的關系而言,在HSP中rHSP=0.29，P=0.000 209 14,FR和FX間呈低度線性相關,在ISP中,rISP=-0.06,P=0.655 150 00,FR和FX間不存在相關性,而在LSP中，rISP=0.57,P<0.000 1,FR和FX間有顯著的線性相關性.

以上的結論可總結為表3中所示內容.

表3　主要結論

4討論

目前已經(jīng)有很多學者研究過γ射線光度和射電輻射光度之間可能存在的相關性[15-16，19-20].利用高能γ射線實驗望遠鏡(EGRET)觀測到的數(shù)據(jù),Dondi等人研究發(fā)現(xiàn)γ射線光度和射電輻射光度之間的相關性要比γ射線與X射線之間的相關性好,但是Mücke等人的研究表明γ射線光度和射電光度之間沒有相關性[21].而目前的觀測結果卻表明γ射線和射電波段之間存在相關性[22],盡管它們之間的這種關系不是簡單的一一對應的關系[23-24].我們認為存在這些不同結果的主要原因有:(1)光度與光度之間的關系并不能被認為是一種真正的關系,因為光度會受到紅移的影響;(2)樣本源數(shù)量太少;(3)γ射線和射電波段沒有同時觀測的數(shù)據(jù);(4)γ射線輻射表現(xiàn)出大的流量變化[25].一般認為射電輻射和γ射線輻射都來自于耀變體的噴流中,它們都是強束流,這意味著γ射線和射電波段數(shù)據(jù)之間應該相關.當耀變體處于活躍狀態(tài)時,γ射線輻射的數(shù)據(jù)更容易被觀測到,如果此時γ射線輻射來自于同步自康普頓(SSC)過程,那么γ射線流量Fγ和射電輻射流量FR之間應該存在相關性[15].本文的統(tǒng)計結果表明在HSP和ISP中γ射線流量密度Fγ和射電1.4 GHz輻射流量密度FR之間存在較為顯著的相關性.

Fan等人利用EGRET數(shù)據(jù)進行的研究表明，γ射線流量密度和X射線流量密度之間存在較弱的反相關性,并指出如果這種反相關性存在的話，將會對輻射模型有所限制，因此提出應該用更多的數(shù)據(jù)來研究它們之間的相關性[26].本文利用大量最新的3FGL數(shù)據(jù)研究了γ射線流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間的相關性,研究表明在HSP、ISP和LSP中,γ射電流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間存在較弱的正相關性.

對于射電1.4 GHz輻射流量密度FR與X射線流量密度FX之間的相關性,由于HSP、ISP和LSP的類型不同,它們之間的相關性也有所不同.這可能是因為它們的輻射區(qū)域不同,一般認為射電輻射來自于噴流的外部,而X射線的輻射則來自噴流內部.但具體情況如何解釋,還有待于進一步的研究.

總之,從研究結果來看:(1)γ射線流量密度Fγ和射電1.4GHz輻射流量密度FR之間存在較為顯著的相關性;這證實了Dondi和Fan的觀點,并且說明了費米γ射線輻射和射電輻射產(chǎn)生的區(qū)域可能相同;(2)γ射線流量密度Fγ和射電1.4GHz輻射流量密度FR之間的相關性比γ射電流量密度Fγ和X射線流量密度FX之間的相關性要好,這與Dondi的研究結果是一致的[16].因此,我們的研究結果表明費米γ射線輻射主要產(chǎn)生于同步自康普頓(SSC)過程.

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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

中圖分類號：P157

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9793(2015)06-0001-07

通信作者：鄭永剛(1980-),男,博士,副教授,主要從事天體物理方面研究.

作者簡介：李斯(1991-),男,云南大理人,碩士研究生,主要從事天體物理方面研究.E-mail:lisiyx@163.com.

基金項目：云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才計劃資助項目(2012HB014)；云南省自然科學基金資助項目(2013FD014)；云南省教育廳基金重點資助項目(2012Z016).

收稿日期：*2015-10-22