普遍认为,耀变体在所有电磁波段都有光变,光变时标从几分钟到几年不等。而近日,中国科学院上海天文台一名访问学者的研究工作却表明,耀变体并不一定在所有电磁波段上都具有多种时标的光变。目前该工作已被《皇家天文学会月报》接收。

高红移宇宙一直是天文学家关心的热点领域,活动星系核作为宇宙中最明亮的稳定电磁波辐射源之一,是少许研究高红移宇宙的有效探针。耀变体,作为喷流对准地球的极端活动星系核子类,由于强的多普勒集束效应,主导了河外伽玛射线天空,是宇宙中高能粒子的重要加速源。来自于高红移耀变体的伽玛射线不仅对研究早期超大质量黑洞周围的极端环境有着重要的作用,它还能够对河外背景光模型起到强有力的限制。然而由于高红移耀变体的伽玛射线能谱比近邻源要显著偏软,且sub-GeV伽玛射线光子的空间分辨率比GeV光子的要差,探测来自于这一类源的微弱伽玛射线信号是一个巨大的挑战。

超大质量黑洞(质量介于几百万倍和几百亿倍太阳质量之间)普遍存在于大质量星系中心。其中一部分超大质量黑洞正吞噬着大量的气体,在其周围形成吸积盘。物质在向黑洞旋进式下落过程中,将引力能高效地转化为内能,产生辐射。这便是活动星系核背后的基本物理,如图1所示。

近期,Fermi卫星组分析了一千一百余个高红移耀变体的伽玛射线数据,发现了五个新的高红移伽玛射线耀变体,其中最远的源红移达到了4.3。虽然已知的伽玛射线耀变体的数目达到了三千余个,红移大于3的源的数目仍仅有7个。中国科学院紫金山天文台助理研究员廖能惠、博士李尚及研究员范一中组成的研究小组对这些高红移源的伽玛射线数据进行了深入分析,在其中5个源中发现了显著的长时标伽玛射线光变(Li
et al. 2018 ApJ
853,159)。这些时变信息不仅严格限制了高红移耀变体的喷流速度及辐射区域位置,也对搜寻更高红移耀变体的伽玛射线辐射提供了新途径。考虑到高红移耀变体的剧烈光变,在其伽玛射线爆发期间显然更容易探测到GeV辐射。受此启发,廖能惠等人对红移4.7的耀变体B3
1428+422进行了分时段的Fermi-LAT数据分析。尽管9年的平均数据中没有显著的GeV辐射信号,但在2012年8月至2013年5月这段数据中发现了一个新的伽马射线瞬变源。这个瞬变源的伽玛射线谱很软,与已知的高红移耀变体的伽玛射线谱行为一致,对该瞬变源的定位结果与B3
1428+422一致,并且在该方向上不存在其它合适的候选体。这些结果表明所发现的GeV辐射来自于B3
1428+422,尽管尚需射电、光学等多波段的长期监测必威官网 1予以最终确认。此前已知最远的GeV伽玛射线源是伽玛射线暴GRB
080916C
,它的测光红移为4.35,廖能惠等人的工作为打破这个记录提供了一个颇具竞争力的候选体。该工作已于10月1日在《天体物理学快报》(必威官网,Astrophys.
J. Lett.
)在线发表。

有一小类活动星系核,称为耀变体。它们在全电磁波段具有强烈的大幅度光变,即辐射流量发生变化,被认为是瞬变天体。在各波段,耀变体发出的辐射以喷流的非热辐射为主,能谱分布由两个峰构成:从射电到紫外或X射线波段的低频峰,普遍认为其来自于喷流中相对论电子的同步辐射;从X射线到伽马射线波段的高频峰,很可能来自于逆康普顿过程。

上述研究工作受到国家自然科学基金委的杰出青年基金项目11525313及青年科学基金项目11703093的资助。

根据能谱分布峰值频率,耀变体可分成两类:低峰频耀变体(Low energy peaked
blazars; LBL)和高峰频耀变体(High energy peaked blazars;
HBL)。前者的同步辐射峰值频率在射电和光学波段之间,而后者在紫外到X射线波段之间。图2展示了它们的能谱分布。

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光变研究是理解耀变体本质和物理过程最有效的手段之一。若在几分钟到一天之间,流量发生百分之几到百分之几十的变化,这一类光变被称为微光变(Intraday
variability,
IDV)。而时标在几星期到几个月的光变为短时标光变,若时标长至几个月到几年,就称为长时标光变。

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“我们选择的样本含有12个低峰频耀变体,它们共被XMM-Newton太空望远镜观测过50次。基于这个样本,我们发现这类耀变体在X射线波段发生微光变的比例非常小。根据已有的50条光变曲线,我们仅在2条光变曲线中分析得到了微光变,也就是说比例只有4%。”该工作的第一作者Alok
C.
Gupta博士说,他是印度阿雅巴塔观测科学研究所的研究人员,目前获中科院国际人才计划资助,在上海天文台进行合作研究。“实际上对于高峰频耀变体,结果也相似。早期我们研究过144条高峰频耀变体光学波段的光变曲线,只有6条光变曲线显示微光变,大约4%的比例。”

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对于该现象,他提出可能的解释:能谱分布中,高峰频耀变体的同步辐射峰在紫外和X射线波段间,而低峰频耀变体在红外到光学波段之间。能谱分布峰值频率似乎对这些耀变体在X射线和光学波段的光变性质有显著影响。由于在低峰频耀变体中,X射线波段来自于逆康普顿辐射,其对应的电子能量比产生同步辐射峰的电子能量低,这可能导致X射线波段光变较慢,从而相对于光学波段,X射线波段微光变比例很小。

图: 不同时期B3 1428+422
方向上的伽马射线探测显著程度。黑色圆圈为新伽玛射线瞬变源的95%置信度定位精度,绿色符号代表目标源射电坐标。

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图1:活动星系核示意图(取自Urry & Padovani, 1995)。

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图2:两类耀变体的能谱分布,实线和虚线分别对应低峰频耀变体和高峰频耀变体的能谱分布。该工作研究的是黄色区域对应波段处的微光变,即低峰频耀变体的X射线波段和高峰频耀变体的光学波段。

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