張 順，易庭豐*，魯 赫，陳雨潼，王 亮，王 娜，普治元，董 亮

(1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 廣西相對(duì)論天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3. 云南省中馬HF-VHF先進(jìn)射電天文技術(shù)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216)

耀變體是活動(dòng)星系核(Active Galactic Nuclei, AGN)中的一類，其相對(duì)論性噴流幾乎指向地球(角度≤10°)[1]，具有全電磁譜的輻射。根據(jù)不同的分類條件，我們可以將耀變體分為不同的類型：按光學(xué)或者紅外光譜中是否存在發(fā)射線，耀變體可以分為平譜射電類星體(Flat-Spectrum Radio Quasar, FSRQ)和蝎虎座BL型天體(BL Lac)[2]，其中蝎虎座BL型天體只存在一些微弱的發(fā)射線，甚至沒(méi)有發(fā)射線，但是卻輻射很強(qiáng)的X射線和γ射線；按同步峰峰值頻率劃分，又可以分為高峰頻耀變體(High Synchrotron Peaked Blazars, HSP)、中峰頻耀變體(Intermediate Synchrotron Peaked Blazars, ISP)和低峰頻耀變體(Low Synchrotron Peaked Blazars, LSP)。

耀變體輻射的頻率幾乎覆蓋整個(gè)電磁頻段，目前普遍認(rèn)為低能光子來(lái)自于噴流中電子的同步輻射，而高能光子的來(lái)源還存在爭(zhēng)議。學(xué)者提出了不同的物理過(guò)程進(jìn)行解釋：(1)輕子模型認(rèn)為，高能光子與低能光子是由同一電子集群產(chǎn)生的，即高能光子由電子通過(guò)逆康普頓散射(Inverse-Compton Scattering, ISC)將同步輻射光子加速到高能[3]，這種輻射稱為同步自康普頓輻射(Synchrotron Self-Compton, SSC)；(2)強(qiáng)子模型則認(rèn)為高能波段的光子是由于質(zhì)子同步輻射引起的[4]。在輕子模型中，相對(duì)論性電子集群沿著噴流的方向進(jìn)行，高能輻射與低能輻射幾乎發(fā)生在同一區(qū)域，這預(yù)示著高能光子和低能光子可能存在強(qiáng)相關(guān)性。由于相對(duì)論性光束，耀變體的輻射由噴流的非熱成分主導(dǎo)，其特征是輻射頻率范圍很廣——從射電至伽馬射線。在此模型下，耀變體多波長(zhǎng)輻射流量之間的關(guān)系可以暗示噴流的結(jié)構(gòu)，至少可以暗示射線的發(fā)射區(qū)域和每個(gè)區(qū)域的空間關(guān)系。文[5]通過(guò)研究40個(gè)亮源的光學(xué)和γ射線波段間的相關(guān)性，得出了耀變體的輻射滿足輕子模型的結(jié)論。在這40個(gè)亮源中，只有5個(gè)TeV耀變體，且這5個(gè)耀變體展現(xiàn)出不一致的結(jié)果。本文收集了78個(gè)TeV耀變體的光學(xué)波段和γ射線波段數(shù)據(jù)，利用離散相關(guān)函數(shù)分別計(jì)算每個(gè)源對(duì)應(yīng)的γ射線-光學(xué)相關(guān)性強(qiáng)度，以探究TeV耀變體的物理過(guò)程和輻射機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)樣本

本文從4FGL-DR3目錄中收集得到Fermi-LAT報(bào)告的78個(gè)TeV耀變體對(duì)應(yīng)體及坐標(biāo)，該樣本中有8個(gè)平譜射電類星體、65個(gè)蝎虎座BL型天體和5個(gè)未知類型天體。我們?cè)贔ermi-LAT的4FGL-DR3光變曲線庫(kù)中收集TeV耀變體的γ射線波段數(shù)據(jù)[6]。

我們從4個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中收集光學(xué)光變曲線數(shù)據(jù)：卡茲曼自動(dòng)成像望遠(yuǎn)鏡(Katzman Automatic Imaging Telescope, KAIT)[7]、中小型口徑研究望遠(yuǎn)鏡(Small and Moderate Aperture Research Telescope System, SMARTS)[8]、卡塔利娜實(shí)時(shí)瞬態(tài)調(diào)查(Catalina Real-Time Transient Survey, CRTS)[9]和斯圖爾特天文臺(tái)光學(xué)觀測(cè)項(xiàng)目(Steward Observatory′s CCDImaging/Spectropolarimeter, SPOL, 網(wǎng)址: http://james.as.arizona.edu/～psmith/Fermi)。本文在KAIT，SMARTS，SPOL和CRTS目錄中收集到的TeV耀變體的數(shù)量分別為26，12，20和61。

為了避免數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)少導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，我們?cè)谟?jì)算時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行了一定的限定：數(shù)據(jù)點(diǎn)要多于40個(gè)。在該條件下，我們一共收集到56個(gè)源，其中49個(gè)蝎虎座BL型天體，7個(gè)平譜射電類星體。

2 離散相關(guān)函數(shù)及分析結(jié)果

離散相關(guān)函數(shù)是一種分析兩組離散時(shí)間序列是否存在相關(guān)性的方法[10]，同時(shí)根據(jù)離散相關(guān)函數(shù)最大值的位置，還可以判斷離散數(shù)據(jù)組之間的時(shí)間延遲大小。設(shè)兩組包含噪聲的離散時(shí)間序列Ai和Bj，則這兩組時(shí)間序列的離散相關(guān)值為

(1)

我們利用離散相關(guān)函數(shù)對(duì)56個(gè)TeV耀變體的光學(xué)波段和γ射線波段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中，γ射線波段數(shù)據(jù)為時(shí)間序列Ai，光學(xué)波段數(shù)據(jù)為時(shí)間序列Bj。計(jì)算的結(jié)果如表1，其中 “Time lag” 代表γ射線波段與光學(xué)波段的時(shí)間延遲，正值代表γ射線波段超前于光學(xué)波段，負(fù)值代表γ射線波段落后于光學(xué)波段；“Peak” 是離散相關(guān)函數(shù)的最大值，我們認(rèn)為該值大于0.5為強(qiáng)相關(guān)，小于0.5為弱相關(guān)；對(duì)于部分源來(lái)說(shuō)，離散相關(guān)函數(shù)過(guò)于平坦或離散，我們用 “--” 表示；“Redshift” 中的 “--” 表示沒(méi)有找到相關(guān)源的紅移數(shù)據(jù)。

表1 TeV耀變體γ射線波段與光學(xué)波段的相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis results of between γ-ray band and optical band of TeV blazar

2.1 γ射線落后光學(xué)波段(J0112.1+2245)

J0112.1+2245是一顆紅移為0.265且能譜類型為低峰頻的蝎虎座BL型天體，在圖1中，左上圖是耀變體J0112.1+2245的γ射線波段的光變曲線，左下圖是其光學(xué)V波段的光變曲線，右圖是兩個(gè)波段的相關(guān)性分析結(jié)果。從離散相關(guān)函數(shù)圖像可以看出，該源的γ射線波段和光學(xué)波段具有極強(qiáng)的相關(guān)性，這與文[11]計(jì)算結(jié)果一致，且γ射線波段落后于光學(xué)波段。

圖1 J0112.1+2245光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.1 The light curves of J0112.1+2245 and DCF plot

2.2 γ射線超前于光學(xué)波段(J0521.7+2112)

蝎虎座BL型天體J0521.7+2112的紅移為0.108，γ射線波段和光學(xué)波段在MJD56000-57000間均有耀發(fā)。從圖2的光變曲線中也可以看出，γ射線波段的峰明顯 “早于” 光學(xué)波段，這個(gè)結(jié)果在圖2的離散相關(guān)函數(shù)圖像中也可以得到。計(jì)算結(jié)果顯示，γ射線波段超前于光學(xué)波段，這一結(jié)果與文[12]的結(jié)果一致。同時(shí)我們還應(yīng)注意，γ射線波段在該時(shí)間段內(nèi)有兩次明顯的耀發(fā)，而光學(xué)波段在同一時(shí)間段內(nèi)，“缺少” 了一次耀發(fā)，這可能是由于天氣或者季節(jié)引起的觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失造成的，也可能是在該時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有光學(xué)耀發(fā)。這需要長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證。

圖2 J0521.7+2112的光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.2 The light curves of J0521.7+2112 and DCF plot

2.3 γ射線與光學(xué)波段不存在時(shí)間延遲(J1512.8-0906)

由于光學(xué)數(shù)據(jù)有4個(gè)來(lái)源，因此部分源可能被多個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。接下來(lái)我們給出一個(gè)較為典型的源4FGL J1512.8-0906的分析結(jié)果。該源由3個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)(SMARTS，SPOL和CRTS)，如圖3。

圖3 J1512.8-0906的光學(xué)波段和γ射線波段的光變曲線Fig.3 Optical and γ-ray light curves of J1512.8-0906

在圖3中，上圖是源J1512.8-0906光學(xué)波段的光變曲線，其中紫色、藍(lán)色和綠色三角分別代表來(lái)自CRTS，SMARTS和SPOL的數(shù)據(jù)，下圖是γ射線波段的光變曲線。其中，當(dāng)γ射線發(fā)生強(qiáng)烈的耀發(fā)時(shí)，光學(xué)波段也出現(xiàn)較為劇烈的耀發(fā)。我們計(jì)算圖中陰影時(shí)間段內(nèi)，γ射線和光學(xué)波段數(shù)據(jù)間的離散相關(guān)函數(shù)，光變曲線和計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 J1512.8-0906耀發(fā)時(shí)γ射線和光學(xué)波段的光變曲線及離散相關(guān)函數(shù)圖像Fig.4 Light curves and DCF graph of γ-ray and optical band during the flare of J1512.8-0906

圖4展示了J1512.8-0906在MJD 54680-55370時(shí)期，光學(xué)波段與γ射線波段的光變曲線以及兩波段間的離散相關(guān)函數(shù)圖像情況。通過(guò)光變曲線我們可以看出，本次耀發(fā)期間光學(xué)波段的變化趨勢(shì)與γ射線波段的變化趨勢(shì)一致；離散相關(guān)函數(shù)圖像顯示在本次耀發(fā)中，兩波段間不存在時(shí)間延遲。這說(shuō)明在本次耀發(fā)中，光學(xué)波段的光子(低能光子)與γ射線波段的光子(高能光子)可能來(lái)自同一個(gè)輻射區(qū)域。

2.4 孤 峰

在分析過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)存在這樣的現(xiàn)象：當(dāng)γ射線(或光學(xué))波段存在較為明顯的耀發(fā)時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間段中，光學(xué)(或γ射線)波段沒(méi)有表現(xiàn)出相應(yīng)的耀發(fā)。圖5展示了兩類 “孤峰”：光學(xué)孤峰和γ射線孤峰。

圖5 兩類孤峰Fig.5 Two types of “orphan”flares

在圖5中，左上圖和左下圖是源J0739.2+0137在MJD 55500-56200的光學(xué)(左上圖)和γ射線(左下圖)波段的光變曲線。其中，光學(xué)波段在MJD 55800-56000有一次明顯的耀發(fā)，而在γ射線波段并沒(méi)有檢測(cè)到耀發(fā)。右上圖和右下圖是源J1159.5+2914在MJD 55200-55600的光學(xué)(右上圖)和γ射線(右下圖)波段的光變曲線。其中在MJD 55300-55600γ射線波段發(fā)生了多次耀發(fā)，而在光學(xué)波段期間并沒(méi)有檢測(cè)到耀發(fā)。

3 結(jié)論與討論

我們從4FGL-DR3中收集了78個(gè)TeV耀變體，并在光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中收集到相應(yīng)耀變體的光變曲線數(shù)據(jù)，要求光學(xué)數(shù)據(jù)點(diǎn)大于40個(gè)，最終得到一個(gè)包含56個(gè)TeV耀變體的樣本。我們利用離散相關(guān)函數(shù)對(duì)樣本中耀變體的光學(xué)和γ射線波段的光變曲線進(jìn)行分析，結(jié)果顯示有20個(gè)耀變體的光學(xué)和γ射線波段之間存在弱相關(guān)性，30個(gè)耀變體的光學(xué)和γ射線波段間存在強(qiáng)相關(guān)性，6個(gè)耀變體沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)性。在我們的樣本中，大部分耀變體具有強(qiáng)相關(guān)性，這表明，對(duì)于TeV耀變體而言，光學(xué)波段(低能光子)和γ射線波段(高能光子)產(chǎn)生于同一集群的電子；在具有相關(guān)性的源中，既存在光學(xué)波段超前于γ射線波段的源，也存在光學(xué)波段落后于γ射線波段的源。這些發(fā)現(xiàn)均強(qiáng)有力地支持TeV耀變體滿足輕子模型。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)了一些特殊的現(xiàn)象(孤峰)。光學(xué)孤峰的出現(xiàn)，暗示耀變體的低能光子來(lái)源可能不止一個(gè)[5]。對(duì)于γ孤峰，文[13]提出了一種可能的模型：“火環(huán)”(Ring of Fire)模型。在這個(gè)模型中，電子是包含在一個(gè)等離子團(tuán)中并沿著噴流做相對(duì)論性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)入x子團(tuán)穿過(guò)火環(huán)時(shí)，團(tuán)內(nèi)電子散射環(huán)外光子形成γ孤峰。

此外，在表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)的30個(gè)TeV耀變體中，高峰頻耀變體、中峰頻耀變體和低峰頻耀變體的數(shù)量分別為17，9和4，各占56.7%，30.0%和13.3%；表現(xiàn)為弱相關(guān)的20個(gè)TeV耀變體中，高峰頻耀變體、中峰頻耀變體和低峰頻耀變體的數(shù)量分別為15，1和4，各占75.0%，5.0%和20.0%；沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)性的6個(gè)TeV耀變體中，有5個(gè)高峰頻耀變體和1個(gè)低峰頻耀變體，各占83.3%和16.7%。低峰頻耀變體在弱相關(guān)性和無(wú)相關(guān)性樣本中的占比明顯比強(qiáng)相關(guān)性樣本中的高。這與文[14]大耀變體樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。文[14]認(rèn)為，對(duì)于耀變體而言，同步自康普頓輻射在高峰頻耀變體和中峰頻耀變體中更為普遍，而低峰頻耀變體源中，外康普頓輻射占主導(dǎo)地位。當(dāng)然，目前TeV耀變體的樣本數(shù)量比較少，統(tǒng)計(jì)顯著性不夠高。因此，尋找更多的TeV耀變體并對(duì)其進(jìn)行多波段的準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)是必要的。