耀变天体3C 454.3 高能光变行为的研究

刘宝容, 张海明 ，要 东

(1.广西大学物理科学与工程技术学院， 广西大学—国家天文台天体物理和空间科学研究中心， 广西南宁530004； 2.广西大学广西相对论天体物理重点实验室， 广西南宁530004)

耀变天体3C 454.3 高能光变行为的研究

刘宝容1,2, 张海明1,2，要 东1

(1.广西大学物理科学与工程技术学院， 广西大学—国家天文台天体物理和空间科学研究中心， 广西南宁530004； 2.广西大学广西相对论天体物理重点实验室， 广西南宁530004)

为研究耀变天体3C 454.3高能光变行为，采用结构函数和离散关联函数法对该源近8年Fermi/LAT伽玛波段流量监测结果进行分析。结构函数分析表明：近8年的高能光变中存在多个特征光变时标，最小特征光变时标6 d；宁静态前后两段不同光变幅度的伽玛光变有类似变化趋势，均有最小特征光变时标6 d；整个光变存在可能周期230 d和350 d，与离散关联函数分析得到的周期223 d和351 d近似一致。根据周期分析理论，推断耀变天体3C 454.3伽玛波段光变存在周期(226±3.5)d和(250±0.5)d。与以前的研究结果对比，耀变体3C 454.3高能光变存在双周期是一个新发现。

3C 454.3；特征光变时标；周期

耀变天体是活动星系核性质极其独特的一个子类，是平谱射电类星体和BL Lac天体的总称。耀变天体3C 454.3属于平谱射电类星体，其红移Z=0.859，是一个被研究较多的活动星系核[1-10]。自2008年Fermi卫星上天，3C 454.3成为Fermi卫星大视场望远镜(Fermi/LAT)观测目标源之一，是Fermi卫星所观测到的耀变天体中伽玛辐射最亮的源之一，同时也是其他多波段团队观测的目标源。对该源的高能辐射光变行为分析主要体现在能谱和多波段关联分析。Jorstad等[11]对2005～2008年3C 454.3的多波段观测数据进行了关联分析，认为光学、X射线和伽玛波段光变存在关联，提出伽玛辐射是外康普顿过程主导。Fuhrmann等[12]对3C 454.3近3.5年的射电和伽玛波段数据进行关联分析，通过研究两个波段的延迟时间，推断其伽玛射线辐射区距离中心超大黑洞为0.8～1.6 pc。

特征光变时标和光变周期是光变行为分析中重要的物理量，它们对理解天体能量输出十分重要，其光变周期能强烈限制活动星系核的物理尺寸和物理参数，因此，对观测结果进行周期搜寻一直是研究的热点。但周期证认所遭遇的困难之一是缺少长期流量监测数据，所幸的是Fermi/LAT对部分耀变天体在伽玛波段开展了长期的流量监测，迄今对源3C 454.3有近8年的伽玛波段流量监测结果。Li等[13]采用L-S周期图和Jurkevich周期分析法对Fermi/LAT在2012年4月之前的伽玛观测结果进行周期分析，发现1个可能周期(210.8±12.1)d。为此，本文将采用结构函数和离散关联函数法研究3C 454.3近8年的Fermi/LAT伽玛波段流量监测数据，旨在找出此高能光变的特征光变时标及可能的光变周期。

2 3C 454.3 Fermi/LAT观测数据

图1 耀变体3C 454.3伽玛波段光变曲线Fig.1 Light curves of the blazar 3C 454.3 at gamma band

Fermi/LAT对耀变天体3C 454.3伽玛波段(E>100 MeV)流量监测始于2008年8月，迄今积累了近8年的观测数据，伽玛流量随时间(MJD：Modified Julian Date)的变化即光变曲线见图 1。图 1中的数据由广西大学—天体物理中心张海明研究生处理2008年8月以来Fermi/LAT原始观测数据得到，数据时间跨度为2008年8月至2015年12月(MJD：54684-57433)，采样时间间隔为1 d。图 1呈现了3C 454.3自2008年8月以来的伽玛波段光变行为。纵观整个光变曲线，3C 454.3在2009年12月前处于伽玛宁静期，而在2009年12月至2010年12月，伽玛波段出现了3次闪耀， 时间分别为2009年12月、2010年4月和2010年12月，其中，2010年12月闪耀中伽玛波段的流量达到了历史最大值，此后3C 454.3 的高能辐射进入了宁静期，直到2014年再次出现了较猛烈的辐射进入活动期并出现闪耀，但闪耀所对应的伽玛辐射流量比2010年12月小很多。除了明显的闪耀外，光变曲线上也存在起伏，表明存在一些微小的光变结构。

为此，我们采用结构函数(SF：Structure Function)和离散关联函数(DCF：Discrete Correlation Function )对3C454.3此高能光变行为进行分析。

3 3C 454.3 高能光变行为分析

3.1 3C 454.3高能光变行为的结构函数分析

结构函数能表征时序数据变化行为可定量确定时序数据特征光变时标和周期。在天文学研究中，通常采用一阶结构函数来分析数据的变化行为，从而得到特征变化时标及可能的周期。

对于一个均匀采用的时间序列{ai}，其一阶结构函数[14]定义为：

(1)

一阶结构函数的误差定义为：

(2)

通常，观测结果对应的结构函数最初会随着时间延迟单调增加，若出现平台，平台对应时间延迟为最小特征时标；若在平台之后紧跟着出现一个谷，接着再达到平台，意味着时间序列可能存在周期，谷对应的时间延迟近似为周期。

图2是3C 454.3伽玛波段光变的一阶结构函数分析结果。耀变天体3C 454.3 光变所对应的结构函数先呈现持续幂率上升，达到第一个平台(图中虚点线)后震荡上升并出现了多个平台，意味着耀变体3C 454.3光变存在多个特征光变时标。时间延迟增加到6 d左右达到的第一个平台对应最小特征光变时标τ≈6 d；紧接着在时间延迟为30 d左右再次出现一个平台，接着震荡上升，在时间延迟约为230 d位置出现了一个谷，再上升达到新平台；在时间延迟为350 d第二次出现谷，达到新平台后，再次在时间延迟为683 d又出现了一个谷，达到新平台；在时间延迟约为960 d和1 310 d又出现谷。图 2中的虚线标记以上5个谷的位置。其中，后3个谷所对应的时间延迟683 d、960 d和1 310 d，近似为230 d或350 d的整数倍。依据结构函数特点，我们认为这个230 d和350 d有可能是耀变体3C 454.3伽玛光变的周期。

图1中的光变曲线表明耀变体3C 454.3在2009～2011年期间伽玛辐射是非常活跃的，闪耀对应的流量高。然而，从2011年开始耀变体3C 454.3进入了宁静期，直到2014年3月耀变体3C 454.3再次处于持续活动态，光变曲线震荡非常显著，在2014年6月及2015年2月和2015年4月出现了明显闪耀，闪耀对应的流量低。那么耀变体3C 454.3在宁静期前后伽玛波段两个活动态的光变行为是否有实质性的不同，比如不同的特征光变时标或不同的变化趋势？为了回答此疑问，我们分别作出耀变天体3C 454.3在伽玛宁静期前后光变的结构函数(图 3)。

图2 耀变体3C 454.3光变所对应的结构函数

Fig.2 Structure function of the blazar 3C 454.3 light curves

图3 耀变体3C 454.3在宁静期前后光变的结构函数

Fig.3 Structure functions of the variability for the blazar 3C 454.3 before and after its quiescence

图3是耀变体3C 454.3分别在伽玛宁静期前(MJD：54 899-55 720)和宁静期后(MJD：56 673-57 433)的光变所对应的结构函数。MJD：54 899-55 720时间段内光变的结构函数值较MJD：56 673-57 433时间段内的大，表明此时段光变更剧烈，对应更大的光变幅度。值得注意的是，虽然两段时间内光变剧烈程度不一样，但二者的结构函数表明其光变趋势有着一定的相似性。首先，两段光变的结构函数均呈幂率上升，几乎同时达到第一个平台，并对应相同的最小特征光变时标约为6 d(虚线所对应的位置)，与整个数据段的结构函数所对应最小特征光变时标一致。对此幂率上升段，采用幂率函数[p(f)～fβ]进行拟合(图 3中实线)，得到MJD：54 899-55 720时间段光变所对应的β=1.26，而MJD：56 673-57 433时间段光变对应的β=0.62。可见，随着时间延迟变大，结构函数出现了一些微小的差别，但整体走势非常类似。

3.2 3C 454.3高能光变行为的离散关联函数分析

1988年，Edelson 等[15]首次提出了离散关联函数法，用于分析非均匀采样的数据，并给出了有意义的误差估算。

对两数据序列中数据对(xi,yj)，i,j∈[0,N]，N为数据序列中数据点的个数，没并合的离散关联函数(UDCF)可表示为：

(3)

当τ-0.5Δt≤tij≤τ+0.5Δt内有M对数据对，其中tij=tj-ti，则对M对数据取平均得到离散关联函数值为：

(4)

离散关联函数的误差通过计算M对数据对DCF(τ)的标准偏差来获得，即

(5)

图4 耀变体3C 454.3伽玛波段光变的自相关联函数Fig.4 Auto-correlation function of the variability at gamma band for the blazar 3C 454.3

当数据序列与其自身做关联分析时，则x=y，将在τ=0时刻对应一个峰。若数据存在周期变化，则会在τ≠0出现值明显的峰。

采用结构函数对耀变体3C 454.3高能光变行为进行分析时，探测到两个可能的光变周期p≈230 d和p≈350 d。为了证实这两个周期的可靠性，用离散关联函数对3C 454.3伽玛波段的数据进行自相关分析，结果见图 4。自相关函数(ACF：Auto Correlation Function)除了在τ≈0天处出现了最大峰值外，在τ≈223 d和τ≈351 d的位置(图 4中虚线)处也出现明显峰。依据离散关联函数分析法周期判定特点，我们认为223 d和351 d为耀变体3C 454.3的周期，与结构函数得到的结果近似一致。

4 结论与讨论

本研究通过整理耀变体3C 454.3自2008年以来Fermi/LAT的观测数据，得到长达8年伽玛波段的光变曲线。与Li[13]等所采用的数据相比，本研究数据具有更长的时间跨度，更适合做时序分析。同时，采用结构函数和离散关联函数法对耀变体3C 454.3伽玛波段光变行为进行了联合分析。

结构函数分析发现，耀变体3C 454.3近8年的伽玛波段光变曲线存在多个特征光变时标，最小特征光变时标τ≈6 d。宁静期前后伽玛光变剧烈程度不同，似乎存在不同的光变结构。将宁静期前后的光变分别进行结构函数分析，发现两段光变曲线的光变趋势有一定的相似性，且均存在6 d的最小特征光变时标。在结构函数分析中发现p≈230 d和p≈350 d周期，与离散关联函数分析得到的223 d和351 d近似一致。因为耀变体3C 454.3伽玛波段的光变曲线时间跨度为8年左右，根据周期分析相关理论[16],被分析数据时间超过所得到的周期的6倍，其周期结果才比较可靠。本研究数据持续时间分别是上述两个周期(结构函数分析为230 d和350 d；离散关联函数分析为223 d和351 d)的10倍和8倍，因而我们认为上述两种方法得到的周期是可靠的。两种方法获得的周期分别取平均得到耀变体3C 454.3高能光变两个周期p≈(226±3.5)d和p≈(350±0.5)d。与以前的研究结果[13]对比，耀变体3C 454.3高能光变存在双周期是一个新的发现，其中，p≈(226±3.5)d 与Li等[13]用L-S周期图和Jurkevich周期分析法对2012年4月份之前的伽玛数据研究所得到的周期(210.8±12.1)d接近。

通常采用双黑洞系统的轨道运动或扭曲的吸积盘的喷流进动模型解释周期光变。根据轻子模型，耀变天体的高能辐射主要来自相对论喷流中的逆康普顿散射[17]，因而，关于高能辐射的周期光变解释，我们偏向吸积盘的喷流进动模型。

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(责任编辑 裴润梅)

Study on the high energy variability of blazar 3C 454.3

LIU Bao-rong1,2, ZHANG Hai-ming1,2，YAO Dong1

(1.College of Physics Science and Technology, GXU-NAOC Center for Astrophysics and Space Sciences, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory for Relativity Astrophysics, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In order to study the high energy variability of blazar 3C 454.3, the structure functions and discrete correlation functions are adopted to analyze the observational data of Fermi/LAT within 8 years. Structure function analyses show that there is several characteristic variability timescales in those observational data, the minimum variability timescale is about 6 days. A similar evolution trend of variable amplitude is clearly seen before and after the quiescence of light curves, which also has 6 days minimum variability timescale. Two possible variability periods of ～230 days and ～350 days are found in the whole light curves, which is consistent with the result of discrete auto-correlation function, e.g. 223 days and 351 days. According to periodic analysis theory, the two periods of 226±3.5 days and 250±0.5 days are deduced to exist in the light curves of blazar 3C 454.3 at gamma band. Compared with the results of previous studies, the existence of two periods in the high energy light curves of blazar 3C 454.3 is a new discovery.

3C 454.3; characteristic variability timescale; periodic

2016-07-05；

2016-08-22

国家自然科学基金资助项目(11463001)；广西自然科学基金资助项目 (2014GXNSFAA118024)

刘宝容(1975—), 女，湖南绥宁人，广西大学讲师，博士；E-mail: liubaorong@163.com。

刘宝容,张海明，要东.耀变天体3C 454.3 高能光变行为的研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1912-1917.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1912

P14

A

1001-7445(2016)06-1912-06