楊海燕 ， 李孝攀 ， 羅玉輝 ， 木 繁

（1.昭通學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院，云南 昭通 657000； 2.昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，云南 昆明 650106）

●物理學(xué)研究

PKS 2155-304光學(xué)I波段光變周期特性

楊海燕1， 李孝攀1， 羅玉輝1， 木 繁2

（1.昭通學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院，云南 昭通 657000； 2.昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，云南 昆明 650106）

使用位于智利的REM望遠(yuǎn)鏡從2005年4月11日到2012年6月30日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到BL Lac天體PKS 2155-304光學(xué)I波段的光變曲線.應(yīng)用Jurkevich方法對(duì)光變曲線進(jìn)行周期特性分析，結(jié)果表明：PKS 2155-304在光學(xué)I波段具有313天的準(zhǔn)周期.

BL Lac天體；PKS 2155-304；Jurkevich方法；光變周期

1 引言

耀變體是活動(dòng)非常劇烈的活動(dòng)星系核，在各個(gè)電磁波段均表現(xiàn)出非常劇烈的高能現(xiàn)象.它可以分為蝎虎天體（BL Lac）和平譜射電類(lèi)星體（FSRQ）兩個(gè)子類(lèi).耀變體的觀測(cè)能段覆蓋了從射電波段到高能伽馬射線波段，目前發(fā)現(xiàn)耀變體在不同波段均表現(xiàn)出的劇烈的光變，變化時(shí)標(biāo)從幾天到幾年，時(shí)標(biāo)小于一小時(shí)的快速光變也被廣泛觀測(cè)到.流量變化是了解耀變體物理結(jié)構(gòu)和發(fā)射機(jī)制的有力工具.本文重點(diǎn)研究BL Lac天體PKS 2155-304的光學(xué)波段流量變化特性.

紅移量z為0.116的高頻峰BL Lac天體PKS 2155-304是在X射線和遠(yuǎn)紫外波段最亮的BL Lac天體之一[1].PKS 2155-304是自從上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)以來(lái)最受關(guān)注的研究目標(biāo)之一，目前可以使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋了射電波段到TeV能級(jí)的γ射線波段[2-3].1993年，Urry等人[4]在大約一個(gè)月的持續(xù)觀測(cè)中通過(guò)觀測(cè)流量時(shí)間圖，發(fā)現(xiàn)了紫外和光學(xué)波段的光變周期為0.7天.2000年，F(xiàn)anamp; Lin[5]收集了一組大約17年的UBVRI的觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用Jurkevich方法和DCF方法得到了光學(xué)V波段具有約4.16年和7.0年的準(zhǔn)周期.2009年，Lachowicz等人[6]使用來(lái)自XMM-Newton在2006年5月1日當(dāng)天約64千秒的0.3-10keV能段的X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)周期圖、SF（結(jié)構(gòu)函數(shù)法）和小波分析方法得到了約4.6小時(shí)的準(zhǔn)周期性，并且得到相當(dāng)令人信服的正弦光變曲線.2011年，M.A.Kastendieck 等人[7]使用 LSP（Lomb-Scargle周期圖）、SF（結(jié)構(gòu)函數(shù)法）和MFVF（多段方差函數(shù)法）方法分析PKS 2155-304近77年來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到光學(xué)R波段具有2.7年的光變周期.2012年，畢等人[8]通過(guò)Jurkevich方法對(duì)PKS 2155-304光學(xué)R波段從2004到2011年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到PKS 2155-304光學(xué)R波段具有314天的中短時(shí)標(biāo)光變周期.2014年，Zhang等人[9]搜集了來(lái)自25個(gè)天文組的共約8000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的光度數(shù)據(jù)，得到了約35年的R波段光變曲線，使用DCF、Jurkevich方法和Leahy統(tǒng)計(jì)法得到光學(xué)R波段317天的準(zhǔn)周期.同年，這個(gè)周期也被Sandrinelli等人[10]應(yīng)用VRIJHK波段的數(shù)據(jù)通過(guò)DCDFT方法證實(shí)了.2015年，高等人[11]通過(guò)分析文獻(xiàn)中獲得的從2004年到2012年的近八年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到PKS 2155-304光學(xué)VRI波段存在約311.8天的光變周期.

為了更好地研究BL Lac天體PKS 2155-304的光變性質(zhì)，并檢驗(yàn)其在光學(xué)I波段的周期特性，本文從文獻(xiàn)中搜集了2005年4月11日到2012年6月30日的非均勻觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用Jurkevich方法尋找光學(xué)I波段光變曲線中的周期成分.

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

我們從文獻(xiàn)[12]中搜集了PKS 2155-304的光學(xué)I波段觀測(cè)數(shù)據(jù).這批數(shù)據(jù)使用REM望遠(yuǎn)鏡(The Rapid Eye Mounting Telescope)觀測(cè).REM望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)60cm口徑，位于ESO Cerro La Silla天文臺(tái)(智利)的自動(dòng)化望遠(yuǎn)鏡[13].REM望遠(yuǎn)鏡最初用于對(duì)Swift伽馬射線暴余輝進(jìn)行光學(xué)或近紅外波段觀測(cè)，目前也廣泛用于耀變體的多波段觀測(cè).REM望遠(yuǎn)鏡配置有Ritchey-Chretien系統(tǒng)并搭配兩臺(tái)相機(jī)，REMIR相機(jī)用于近紅外觀測(cè)[12]，ROSS相機(jī)主要用于光學(xué)觀測(cè)[14]，兩者都有10×10弧分的視場(chǎng)，并分別帶有NIR (z, J, H, and K) 和Johnson-Cousins VRI濾波器.REMIR和ROSS相機(jī)使得REM望遠(yuǎn)鏡可以獲得光學(xué)/近紅外波段的準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù).REM軟件系統(tǒng)還能夠使望遠(yuǎn)鏡以全自動(dòng)的方式執(zhí)行復(fù)雜的觀察策略.我們使用的光學(xué)I波段觀測(cè)數(shù)據(jù)是通過(guò)孔徑測(cè)光獲得，測(cè)光時(shí)使用的孔徑大小為5角秒，曝光積分時(shí)間約為300秒[12].

3 Jurkevich方法

Jurkevich方法是一種基于期望均方差處理非等間距數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[15].當(dāng)我們處理一個(gè)由N個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的樣本時(shí)，樣本的平均值、總離差平方和和總方差分別為：

Jurkevich方法按照試驗(yàn)周期對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行折疊分組處理，再對(duì)每一批分組數(shù)據(jù)取平均值并計(jì)算離差平方和，并將每組的離差平方和求和得到總離差平方和第l組測(cè)量數(shù)據(jù)平均值、離差平方和及方差分別為：

其中Nl為第l組觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，則m個(gè)組各自離差平方和的總和為：

4 光變周期分析

BL Lac天體PKS 2155-304從2005年4月11日到2012年6月30日的光學(xué)I波段光變曲線如圖2所示，該曲線由281個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成.其中最暗發(fā)生在2012年2月29日（13.492星等），2006年11月21日最亮（11.332星等），平均亮度為12.315星等，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.553.在2005年11月、2006年9月和2010年1月均出現(xiàn)了非常劇烈的爆發(fā).例如在2010年1月的爆發(fā)，亮度迅速地從13.486星等在321天內(nèi)上升到了11.722星等之后，又下降到13.428星等，整個(gè)爆發(fā)時(shí)間持續(xù)約604天.從光變曲線可以看出PKS 2155-304非?；钴S，根據(jù)光變曲線的波動(dòng)可以推斷可能具有一定的周期成分.由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的間隔不均勻，為了能夠量化PKS 2155-304的周期成分，我們運(yùn)用Jurkevich方法進(jìn)行分析.

運(yùn)用Jurkevich方法分析PKS 2155-304光學(xué)I波段的周期成分，根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)，選擇不同的分組數(shù)m，分別取m=5、m=10、m=15進(jìn)行分析，得到與P的關(guān)系如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為周期，單位為天，縱坐標(biāo)為各分組離差平方和總和.由圖2可看出PKS 2155-304光學(xué)I波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的周期性，且存在至少兩個(gè)顯著的周期成分.第一個(gè)顯著的周期成分為P1=313天，且與m的取值無(wú)關(guān)，即當(dāng)m=5，m=10和m=15時(shí)，Vm2均出現(xiàn)了顯著的低谷，f值依次為1.237，1.519和1.660.它的第二個(gè)周期成分P2出現(xiàn)在約P=630天附近，當(dāng)m=5，m=10和m=15時(shí)，f值均大于0.5，可見(jiàn)這個(gè)周期成分也十分顯著.使用Jurkevich方法分析PKS 2155-304的光學(xué)I波段光變周期特性得到兩個(gè)顯著周期成分的分析結(jié)果詳見(jiàn)表1.

由圖2還可以看出分組數(shù)m會(huì)對(duì)Vm2-P圖產(chǎn)生影響.由于分組數(shù)不斷增大時(shí)，統(tǒng)計(jì)漲落對(duì)Jurkevich方法的影響也變大，Vm2信號(hào)變得嘈雜，因此選擇恰當(dāng)?shù)姆纸M數(shù)很重要.對(duì)比以上兩個(gè)可能存在的周期成分可以看出：P2≈2P1，由此可以推斷P2可能是由于P1的周期成分疊加得到.綜上所述，BL Lac天體PKS 2155-304的光學(xué)I波段可能存在P1=313天的周期成分.

表1.使用Jurkevich方法分析PKS 2155-304的光學(xué)I波段光變周期特性

圖1.PKS 2155-304光學(xué)I波段光變曲線圖

5 結(jié)論與討論

PKS 2155-304是一個(gè)活動(dòng)劇烈的BL Lac天體.REM望遠(yuǎn)鏡從近紅外到光學(xué)波段對(duì)該天體進(jìn)行持續(xù)觀測(cè).我們使用REM觀測(cè)的PKS 2155-304從2005年4月11日到2012年6月30日的光學(xué)I波段數(shù)據(jù)，通過(guò)Jurkevich方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了PKS 2155-304的光學(xué)I波段可能存在313天的周期成分，該結(jié)果與Zhang等人[9]、Sandrinelli等人[10]報(bào)道的PKS 2155-304光學(xué)R波段發(fā)現(xiàn)的約317天的準(zhǔn)周期以及畢等人[8]報(bào)道的PKS 2155-304光學(xué)R波段發(fā)現(xiàn)的約314天的周期和高等人[11]報(bào)道的光學(xué)V波段約311.8天的周期是一致的，因此可以推斷PKS 2155-304在光學(xué)的VRI波段的輻射具有共同的起源.

圖2.PKS 2155-304的光學(xué)I波段-P關(guān)系圖

對(duì)于活動(dòng)星系核的周期性光變現(xiàn)象，已經(jīng)有很多模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行解釋?zhuān)珉p黑洞模型[17-18]、螺旋噴流模型[19-22]等.早在2012年，H.E.S.S就提出PKS 2155-304的多波段輻射可以通過(guò)同步自康普頓輻射模型來(lái)解釋[23].本文得到的PKS 2155-304在光學(xué)I波段具有313天的準(zhǔn)周期，極有可能是同步自康普頓輻射模型中噴流產(chǎn)生的輻射粒子在傳播過(guò)程中由于輻射角發(fā)生變化，從而引起輻射流量的周期性變化.我們可以認(rèn)為，輻射角較小的時(shí)候，輻射流量變大，此時(shí)觀測(cè)的觀測(cè)結(jié)果會(huì)變亮；反之，在輻射角變大的情況下，由于輻射流量變小，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果變暗.

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The Light Curve Variability Period of PKS 2155-304 in Optical I Band

YANG Hai-yan1, LI Xiao-pan1, LUO Yu-hui1, MU Fan2
(1.School of Physics and Information Engineering, Zhaotong University, Zhaotong 657000, China;2.Oxbridge College, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650106,China)

We present the optical I band light curve of PKS 2155-304 from 11 April 2005 to 30 June 2012 by performing the original observation data taken from the REM telescope in Chile.Using the Jurkevich method,we found that the light curve variability period of BL Lac PKS 2155-304 in opitical I band is about 313 days.

BL Lac objects ; PKS 2155-304 ; Jurkevich method ; variability period

P157.6

A

2095-7408（2017）05-0016-04

2017-08-30

云南省教育廳科學(xué)研究基金資助性項(xiàng)目(2017ZZX079).

楊海燕（1987— ），女，云南尋甸人，碩士，助教，主要從事理論物理、天體物理等研究.