（天体物理专业论文）用离散相关函数方法分析blazar天体多波段辐射流量的相关性.pdf

摘要 活动星系核a g n 是近年来天体物理学中非常活跃的研究领域，涉及到天体 物理学最基本的问题，活动星系核的研究在能量产生，辐射机制和宇宙论等基 本问题中占有重要的地位，正因为如此，国际上越来越多的力量投入到这一领 域的理论和观测研究。活动星系核是难得的能同时从射电到y 射线波段辐射的 天体。多波段观测是全面理解其中结构、物理过程以及了解各亚天体关系的基 础。b l a z a r 天体是射电噪a g n ，是活动星系核的一个“子类”，以快速光变、高 且变化的偏振和高光度为特征，它们是核主导的平谱射电源。它们在所有的a g n 中光变时标最短、光变幅度最大。 本文综述了活动星系核的特征和主要的辐射机制，并介绍了离散相关函数， 收集了1 1 9 颗有y 噪的b l a z a r 天体样品( 9 7 个平谱射电类星体和2 2 个b ll a c 天体) ，用离散相关函数( d c f ) 方法分析了i g e vy 射线辐射流量( 最大值、最 小值和平均值) 与8 4 g h z 射电流量之间的相关性。获得的主要结果为：在1 1 9 个b l a z a r 天体和9 7 个平谱射电类星体中，y 射线辐射流量的最大值以及平均 值和射电辐射流量之间有相关性；而y 射线辐射流量的最小值和射电辐射流量 之间没有相关性。结果表明，y 射线和射电辐射都来自喷流，y 射线很可能产 生于同步自康普顿( s s c ) 过程。并且用同样的方法分析了1 5 6 个b 1 a z a r 天体 的多波段辐射流量之间的相关性。 关键词：b l a z a r ，y 射线，射电辐射，相关，光变 t l a b s t r a c t a c t i v eg a l a c t i cn u c l e i ( a g n ) a r ev e r ya c t i v er e s e a r c h i n g - f i e l d si n a s t r o p h y s i c si nr e c e n ty e a r s t h e ya r er e l a t e dt ot h em o s tf u n d a m e n t a l p r o b l e m si na s t r o p h y s i c s t h er e s e a r c ho fa c t i v eg a l a c t i cn u c l e ii sv e r y i m p o r t a n ti nm a n yf u n d a m e n t a lp r o b l e m s ，s u c ha sp r o d u c i n g - e n e r g y ， r a d i a t i o nm e c h a n i s m sa n dt h e o r yo ft h eu n i v e r s e t h e r e f o r e ，m a n yp e o p l e d e v o t et h e m s e l v e st ot h et h e o r e t i c a la n do b s e r v a t i o n a ls t u d i e si nt h i s f i e l d a c t i v eg a l a c t i cn u c l e ia r er a r eo b j e c t si nr a d i a t i o nf r o mr a d i o t oy r a ya tt h es a m et i m e m u l t i b a n do b s e r v a t i o ni st h ef o u n d a t i o no f t h ef u l lu n d e r s t a n d i n go fw h i c hs t r u c t u r e ， u n d e r s t a n d i n go fw h i c ht h e p h y s i c a lp r o c e s sa n dt h er e l a t i o no fs u b - o b j e c t s b l a z a ri sr a d i o - l o u d a c t i v eg a l a c t i cn u c l e i t h e ya r es u b s e to fa g na n da r ec h a r a c t e r i z e db y t h er a p i dv a r i a b i l i t yo fl i g h t ，s t r o n ga n dv a r i a b l el i n e a rp o l a r i z a t i o n a n di na n yo b s e r v e de n e r g yb a n d t h e ya r ec o r e d o m i n a t e d ，f l a ts p e c t r u m r a d i os o u r c e s t h et i m e s c a l eo ft h e mi ss h o r t e s ti na l la g na n dt h e a m p l i t u d eo fv a r i a b i l i t yo fl i g h ti st h eb i g g e s t i nt h i st h e s i s ，t h ep r o p e r t i e sa n dr a d i a t i o nm e c h a n i s m s o fa c t i v e g a l a c t i cn u c l e i ( a g n ) w e r er e v i e w e d t h e ni i n t r o d u c e dt h ed i s c r e t e c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) s i m p l y a n da tt h ee n d ，w ec o l l e c t e d1 1 9y r a y l o u db l a z a r ( 9 7f l a ts p e c t r u mr a d i oq u a s a r s ( f s r q s ) a n d2 2 b l l a c e r t a eo b j e c t s ( b ll a c ) ) ，a n di n v e s t i g a t er e s p e c t i v e l yt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h e y r a ye m i s s i o n ( m a x i m u m , m i n i m u m ，a n da v e r a g ed a t a ) a t1 g e v a n dt h er a d i oe m i s s i o na t8 4g h zb yd i s c r e t ec o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) m e t h o d o u rr e s u l ts h o w st h a tt h ey r a y sa r ea s s o c i a t e dw i t ht h er a d i o m i s s i o nf r o mt h ej e t ，a n dt h a tt h ey r a ye m i s s i o ni sl i k e l yt oh a v ec o m e f r o mt h es y n c h r o t r o ns e l f - c o m p t o nm o d e l ( s s c ) p r o c e s si nt h i sc a s e a n d t h e nia n a l y s i st h em u l t i w a v eb a n d sc o r r e l a t i o no f1 5 68 1 a z a ru s i n gt h e l i i s a m em e t h o d k e y w o r d s ：b l a z a r ，y r a y ，r a d i oe m i s s i o n ，c o r r e l a t i o n ，v a r i a b i l i t y t v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：箍蓼 伽年j 月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云 南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：程勇 2 m ( 年j 月、7 日 指导教师签名：? 林 娜钐年f 月f 7 日 第一章引言 第一章引言 目前发现在已观测到的星系中约有百分之十的星系有激烈活动，人们把核 心区域辐射出正常星系辐射能量数千倍的星系称为活动星系核a g n ( a c t i v e g a l a c t i cn u c l e u s ) 。活动星系核是近年来天体物理学中非常活跃的研究领域， 涉及到天体物理学最基本的问题，这些星系在核心很小区域辐射出巨大的能量， 其亮度最大能达到寄主星系亮度的上万倍，并且亮度随时问发生很大的变化， 如此大的能量是如何产生的，其能量转换机制及物理实质仍然不是很清楚。 自上个世纪6 0 年代射电天文学建立以后，对天体的观测就不再局限于单一 的光学波段，随着观测技术的发展，对活动星系核的研究也越来越深入，观测 波段从早期的光学波段扩展到射电、紫外、红外、光学、x 射线、y 射线直到 t e vy 射线波段，a g n 的观测与理论研究都进入了全波段时代。这就形成了从多 波段上研究天体的性质的格局，这种局面导致了对天体的全面的理解。最近几 十年的观测积累，为天文学的突破奠定了基础。 b l a z a r 是a g n 的一个子类，正式使用“b l a z a r ”这个名称的作者是a n g l e s t o c k m a n ( 1 9 8 0 ) 。b l a z a r 包括b ll a c 型天体、平谱射电类星体( f s r q s ) ，它 具有高光度、高偏振、激烈光变的性质，其辐射以非热辐射为主。b l a z a r 的全 波段谱是非常光滑的，并且由低频到高频连续变陡，可以分波段用幂律拟合， 这些都是非热辐射的特征。b l a z a r 的能谱有双峰结构，一个成峰于红外( i r ) 和 x 射线能段之间，一个成峰于硬x 射线能段以上，通常认为b l a z a r 辐射低能成 分是由喷流内的相对论电子的同步辐射产生的脚，这可由观测到的光学和射电 波段大幅度、快速偏振变化所支持；高能辐射部分普遍认为是低能光子被相对 论电子逆康普顿散射所产生。 众所周知，不同波段的辐射流量变化暗示着不同波段之间可能存在各种不 同的关系，这些关系可以用来区别各种不同的辐射机制。本文通过离散相关函 数方法分析了b l a z a r 天体的相关性，得出了b l a z a r 天体的辐射机制。 本文由以下几部分组成：第一章，引言；第二章介绍了活动星系核的基本 性质；第三章和第四章对b l a z a r 天体的性质和辐射机制作了一个简单的介绍， 第一章引言 第五章介绍了离散相关函数方法，第六章是研究工作，通过离散相关函数方法 分析了b l a z a r 天体的多波段辐射流量之间的相关性，得出b l a z a r 天体的辐射 机制。 第二章活动星系核 第二章活动星系核 活动星系核a g n ( a c t i v eg a l a c t i cn u c l e i ) 仅是众多天体类型中的一类， 它在河外天体中亦不属多数，但对它的研究却是当代天体物理中最受重视的热门 领域。它的观测占据了大型天文设备的许多关键课题，也吸引着众多理论学家的 研究。 2 1 活动星系核的特征 活动星系核可以定义为：其主要特征为核活动，是产生于恒星中热核反应以 外的另一种能源，并在某些现象有着相当的影响嘲。这个定义是非定量的。其 实，正常的星系也具有活动性。 为使活动星系核含义更明确，可采用以下观测特征加以确定叫： 有比正常星系更亮的致密核区； 在某些不太宽的波段( 如射电、光学、x 射线波段等) 表现为非恒星的连 续谱； 存在原子和离子的发射谱线； 连续谱和发射线的强度、偏振及谱型可以随时间变化； 相对正常星系核有更强的高能光予( x 射线) 的发射能力。 具有以上全部或部分特征的核就定义为活动星系核。类星体具有以上全部或 部分特征，是活动性最强的活动星系核。蝎虎天体( b ll a c e r a t eo b j e c t s ) 具 有除第3 条以外全部特性，故也是典型的活动星系核。其他活动星系核都具有第3 条观测特征。可见光学谱线性质是活动星系核最关键的证认。 2 2 活动星系核的分类 六十年代活动星系核被分为类星体、b ll a c 天体、s e y f e r t 星系和射电星系 第二章活动星系核 四大类。根据观测的发展和理论研究的进一步深入，现在他们又各自分出许多子 类，并且许多子型又相互融合，形成独特的类型。在决定活动星系核众多观测性 质中起主要作用的有三项嘲：( 1 ) 观测的波段( 如射电、光学、x 射线、红外等) ； ( 2 ) 相应光度；( 3 ) 光学谱线性质。这些观测性质反应了活动星系核的结构、 中心核区性质、电离区及其电离源性质。根据观测结果，活动星系核的具体分类 和定义如下： 1 s e y f e r t 星系 s e r f e r t 是低光度活动星系核，s e y f e r t 星系也具有和类星体类似的核，能够 明显观测到寄主星系，大多数s e y f e r t 星系都是漩涡星系。s e y f e r t2 光谱中只存 在窄发射线，而s e y f e r t1 既有窄发射线也有宽发射线。 2 类星体 类星体是典型的活动星系核，由光度最大的活动星系核组成，这类天体的一 小部分是强射线源。类星体和s e r f e r t 有相似的谱形，但是大部分类星体表面被 光晕环绕，所以它的空间结构是不容易分辩的。类星体具有以下特征婀： 1 ) 具有明亮的裸核，在0 l ”尚不可分辨，光学光度范围为1 0 1 0 “j s 。 2 ) 色蓝u b o ，表明光学谱的幂律特性，对z 3 ) ，它是一个非常重要的特征，因为它 直接暗示着光学薄的同步辐射： 6 强的且可变化的射电线偏振( p 1 2 ) ； 7 v l b i 部分的视超光速运动，表明相对论喷流的存在； 第三章b l a z a r 天体的基本性质 8 强，射线源，e g r e t 所探测到的所有的河外源都是b l a z a r 天体。 9 连续性：在整个可观测能段上，光滑的、宽的、非热连续谱辐射； 1 0 光学点源，一些b l a z a r 的周围有晕，但大多数光来自点源； l1 7t e y 源；所有证实的或可能的河外t “射线源都是b l a z a r 天体。 3 2b l a z a r 天体选择判据 目前可以用下面的选择判据判定b l a z a r 天体协町： 1 产生连续谱是高度变化的( l m a g ) 2 连续谱是高度变化的，其偏振可达相当高的值( 4 ) ； 3 流量和偏振的变化时标必须短到天的量级； 具有以上观测特征的天体就认为是b l a z a r 。 3 3bla z a r 天体的相对论聚束效应 b l a z a r 天体是所有活动星系核中具有最快速和最大光变幅度的一类天体嘲， 极端的光度特征和相对弱的谱特征表明连续谱的发射是从靠近视线方向的一个 夹角很小的相对论喷流产生的并且观测到的辐射被相对论聚束效应放大嘲。如果 辐射物质是沿视线方向的一个很小夹角内以相对论性速度运动，那么相对论效应 就很重要，观测到的各种辐射特征都被修正到物质运动的实验室坐标系中，描述 聚束效应的最基本参量是d o p p l e r 因子 占：! 一 ( 3 1 ) ，( 1 一 ，c o s e ) 其中，= 1 4 0 一声2 ) 是运动物质l 均l o r e n t z 放大因子，o 是物质运动方向与视线 之间的夹角，6 的最大值为当e = 0 时，6 = 2 y ，大多数的辐射是在o = l y 的 角度内被观测到的。由于y 1 ，所以矽* i y z i f f 。相应的，由于放大效应， 时间、频率、流量和光度的基本公式可表示为： v a b s = 乳 ( 3 2 ) 第三章b l a z a r 天体的基本性质 & 曲l ；& h | 6 ( 3 3 ) f 咖= 艿9 瓦 ( 3 4 ) 工m = 艿9 k 。 ( 3 5 ) 其中，下标o b s 表示观测值，下标i n 表示内禀值。p = 2 + 口或p = 3 + o r ，对于连 续喷流，p = 2 + 口，而对于球对称各向同性辐射源，p = 3 + a ，口是所考虑波 段的能谱指数，其形式为工芘 ，一。 3 4b i a z a r 天体的谱特征 b l a z a r 的能谱分布是双峰结构，一部分成峰于红外( i r ) 和x 射线能段之间， 另一成峰于x 射线能段以上，在射电和光学部分观测到高偏振表明低能部分最可 能是由磁场中的相对论电子的同步辐射产生，而高能辐射一般认为是由相对论电 子的逆康普顿散射过程产生，这些非热辐射是在指向观测者的视线方向的相对论 喷流中产生的。随着观测技术的进步，对b l a z a r 的同时性多波段观测表明b l a z a r 的全波段谱是非常光滑的，并且由低频到高频连续变陡，可以分波段用幂律谱拟 合，而这些都是非热同步辐射的特征，说明b l a z a r 的辐射以非热辐射为主，但在 各波段b l a z a r 的谱行为是很复杂的。 1 射电谱特征 b l a z a r 的射电谱是平谱或倒转谱，几乎所有射电谱很平( 口， 0 2 ，ea c ，”) 的射电源都是b l a z a r 嗍，射电辐射的另一显著特征是相对论聚束效应嘲。相对论 喷流加速模型咖认为l o r e n t z 因子沿喷流轴线向外逐渐增加，由于射电辐射产生 的区域比光学和x 射线辐射区域沿轴线靠外，所以射电波段的相对论放大效应比 光学、x 射线波段显著得多，由于喷流取向效应，从而形成观测上的两个次型， 即射电选的b ll a c 是喷流正对观测者的次型，其射电辐射被大大放大：而x 射线 选的b ll a c 的喷流的观测角比较大。因而射电辐射的相对论效应相对较小而基本 不被放大，由于x 射线辐射趋于各向同性，所以两者有相似的x 射线辐射。强致密 射电辐射是b l a z a r 的基本特征之一。 1 0 第三章b l a z a r 天体的基本性质 2 红外、光学和紫外谱特性 b l a z a r 全波段中两次较大的谱变陡行为出现在这个区域侧，一个出现在射电 和红外波段，一个出现在i r 和u v 波段。对谱变陡现象现在认为是同步辐射电子的 能量损失，同步辐射在影响低能电子以前首先影响高能电子，使得同步辐射出现 变陡现象，而高频截止是同步辐射电子的能量分布的高能截止。b l a z a r 的全部能 量以红外辐射( 1 - - 1 0 0 t ) 为主，且热光度为1 矿一1 0 1 气。嘲。 观测表明某些对象在较为低能的状态下，热辐射变得较为显著，有的甚至出 现热辐射超过非热辐射的现象“3 ，这是热辐射存在的证据。对该区域谱行为的 研究有助揭示热辐射机制，而这些热辐射在非b l a z a r 活动星系核中是占主导地位 的，这有助于弄清b l a z a r 和q e b l a z a r 的本质区别。因为当温度降低到产生近红外 热辐射的温度时，吸积盘面积的增加不足以补偿辐射损失，因而吸积盘趋于产生 太小的红外辐射而不能解释观测到的近红外流量，来自热( m 1 5 0 0 k ) 尘埃的热辐 射是一种可能的解释。 3 x 射线辐射 x 射线辐射产生于喷流的内区，所以对x 射线的研究会对活动星系核的辐射模 型提出很强的限制。b l a z a r 是一类强x 射线原，b ll a c 天体的x 射线辐射分为低能 陡谱( 谱指数盯：1 ) 和几个k e v 以上的平谱( 0 l ，* 1 ) 的功率远大于非相对论电子的功率。 一一， ，j 相对论电子大部分辐射是在峰频附近发出的f 对于一个“能量”为，投 射角为口( 电子速度与磁场b 的夹角) 的电子，峰频是 y ，2s i n 口3 x 1 0 。b 7 2s i n 口l x l o 丑置乞ps i n a ( h z ) ( 4 5 ) 单位频率间隔的辐射功率为： 、芝竽= 华亡c 。如期防， e ， = 一一l l l q d ， d l ，c ， 式中屹即熟知的非相对论电子的拉摩频率， 吃= 瓦1 面e b ， ( 4 7 ) 而参量屹的定义为 屹= 扣2 ( 4 8 ) k 。( f ) 是5 3 阶修正贝塞耳函数。显然谱形决定予式中方括号内的函数，即 f 0 = 手j ：。k 5 ，( t ) d t ( 4 9 ) v cv c ”。 可以将f 南叫做无量纲的同步辐射谱，其谱形如图4 1 所示。在二* 0 3 时， 曲线达到极大值o 9 1 8 。由极值向两侧，该函数f ( 与的渐进式为 f ( v - - - - ) ： 锈) 嘲 钞钞2 一叽 蛐“ b l “ ” y一y一心 当 当 第四章b l a z a r 天体的主要辐射机制 ，i e k o0 2 0 4仉6 0 矗1 0 ， 图4 1 辐射场单位体积中的光子数密度变化曲线 可见，在低频端，函数以v 1 1 3 形式随频率缓慢上升，在v “0 3 v 。处达到峰 值；而在高频端( v v c ) ，则以指数形式很陡地下降。 4 1 2 同步辐射的角分布 单个相对论电子的同步辐射具有显著的方向性，辐射将集中在以速度为轴 线，半张角为口= y 4 的狭小角锥中，电子能量越大，角锥越小。产生这种聚束 效应的物理本质是作为辐射源的高速电子，在运动方向的辐射将因多普勒效应而 显著增强，其它方向辐射剧减，对于投射角口作螺旋运动的电子，由于辐射将具 有很强的方向性，只有当远处观测者的方向0 * a 时，才能观测到辐射。 4 1 3 电子系集体的同步辐射 前面讲的是单个电子的同步辐射性质，而天文观测中的辐射总是大量电子的 集体效应。 单位体积电子的总辐射功率以y ) 为( 假设各个电子的辐射不相干) ： j 7 第四章b l a z a r 天体的主要辐射机制 m = j ( ，州蛐。百d p ( v ) ( 4 1 1 ) 在天体物理学的许多情况下，常常认为在某一能量 厂扎中，电子能量 分布具有幂律形状，而且是稳定的，即 n ( r ，口) = n r y - g ( a ) 4 z ( 4 1 2 ) 如果电子投射角口具有各向同性分布，计算可得谱发射功率为 灭d = 丢，书屹o o 一叫似打) 【g _ g ( 蚰 ( 4 1 3 ) 此处x s v v c ，而 脚) = j ( s i n 口) v 2 删施。砌厨申，r 等马( 4 1 4 ) g ( x o = i x “mf k 5 ，撇 ( 4 1 5 ) 当x 2 “x 1 的相对论电子，假设辐射场是各向同性的得到的结果是( 详见文 献 6 0 ) 、 p = 8 珠c p p 4 y 2 v i ) n 砷y ， ( 4 2 6 ) 其中 八的= f 亿2 等 2 一。嚣， 汪2 ， 而n 坤) 代表辐射场单位体积中光子的数密度。 缃。悔铮 ( 4 2 8 ) 实际上代表电子散射单色入射光( 频率为”) 的无量纲的康普顿辐射谱。其中】【 为辐射频率为，与康普顿辐射的最大频率值4 ，2 h 之比，即x 实质上就是无量纲的 辐射频率值。 第四章b l a z a r 天体的主要辐射机制 l 。0 0 s ，、 _ i 6 x 秘 0 , 4 0 2 o p 图4 2 同步辐射谱谱形 由图4 2 可见，在x = 0 6 1 处，f ( x ) 达到极值厶。* 0 1 6 ；在 ， ，2 嵋处，则 谱功率p ( y ) * v ，即在低频端没有锐截至现象( 除非有低频吸收存在) ，从上图 可见，对于给定频率吒的单色入射光束，康普顿辐射的谱分布是相当弥散的，单 色性较差。 4 2 3 电子系集体的康普顿辐射 假定单位体积中能量为y - ，+ d y 的电子数为n ( r ) d r ，则单位体积所有电子 总的谱功率为 ，( 力= 以啪静胁= 瓣曲g ( 4 2 9 ) 式中 g = 鼢j 乞翱n 小砂廊 q 3 0 ) 假定电子具有幂率能谱 ( y ) = n r “( ，j 咋由上式可见与同步辐射类似，当电子本身具有( ，) o c ，一一的幂律能谱时， 康普顿辐射谱也是幂律形式的，谱指数是( n i ) 1 2 ，与同步辐射谱相同。 第五章离散相关函数简介 第五章离散相关函数简介 相关系数是两个随机变量之间线性相关程度的度量。对两个连续的随机变量 口( r ) ，b ( o 相关系数的定义为 cf(o：ella(t)-a-,o+r)-6j ( 5 1 ) 6 p 其中三f 厂 为函数，的数学期望，f 为，的变化量，百，i 分别为印) ，6 ( ，) 的平 均值，口一o b 分别为口( r ) ，b ( t ) 的标准偏差。 假定口( f ) ，6 ( f ) 是两个连续时间序列。如果它们的平均值( 万，i ) 和偏差 ( ，o b ) 不随时间变化。这两个时间序列就是平稳的。定义正交方差函数 ( c r o s s - c o v a r i a n c ef u n c t i o n ) c c v f ( f ) = e 【口( f ) 一刃【6 ( f + r ) 一b 】 ( 5 2 ) f 为相差即“时间延迟”，将c c v f 通过偏差标准化得到相关函数 c c f ( f ) ：型 ( 5 3 ) 、 o d o b 在天文观测中，很难控制采样或者观测时间，还有月相和观测计划受到天气 和时间分配的限制，给两个信号之间的相关分析造成很大困难，为避免这个问题， 可采用两种方法：( 1 ) 插值相关函数方法( i c c f ) 6 1 】；( 2 ) 离散相关函数方法 ( d c f ) 蚓。下面对两种方法进行简单介绍。 ( 1 ) i c c f 相关函数计算两次，结果取平均值。首先，对所有星等值的测量 值口( f ) 和插值点6 q + f ) ( 即将时间系列之外的点一f “排除) ：第 二步，对已测量的连续点b ( t 1 ) 插值点a 一f ) 同样进行计算，结果