Gaia-Fermi耀变体的伽马射线与光学波段相关性研究

李涛， 马力， 陈红君， 周健华， 吴惠， 杨志坤， 易庭丰,2

(1.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500 ;2.广西相对论天体物理重点实验室，广西 南宁 530004)

1 引 言

耀变体(blazar)是活动星系核(active galactic nuclei,AGN)中比较稀有的一种,它是宇宙中大型星系演化的一个特殊阶段，其中心有巨型黑洞(106-1010M⊙)在不断地进行气体吸积，在这个剧烈的吸积过程中气体的引力势能通过各种机制转换成热能或光能[1]，最后辐射到宇宙空间.耀变体具有强烈的喷流并且喷流的方向正对着地球上的观测者，因而它看起来极其明亮且光变剧烈[2-4]，耀变体发出的电磁波频率几乎覆盖了从射电到伽马射线的整个电磁波谱.耀变体可分为两个亚类：平谱射电类星体(FSRQ)和蝎虎座BL型天体(BL Lac).

伽马射线源的低能波段的对应体及其性质一直是天文学研究的热点之一[5-11].为了更好地定位和探测伽马射线源[12]，美国国家航空航天局于2008年6月11日发射了Fermi伽马射线卫星，该卫星探测的伽马射线源位置精度可以达到10 arcsec的量级，目前费米卫星研究团组已经正式发布了第三期伽马射线源星表目录[13](3FGL)以及第三期活动星系核星表目录[14](3LAC).DR2数据源于Gaia卫星在2014年6月25日至2016年5月23日期间共668天的光学波段观测数据[15-16].

本文将DR2样本与3FGL样本进行交叉匹配，得到光学波段和伽马射线的耀变体样本(记为 Gaia-Fermi耀变体)，然后对Gaia-Fermi耀变体的多波段观测数据进行统计分析，并研究数据之间的相关性.

2 数据样本

在意大利航天局空间科学数据中心费米第三期伽马射线源目录(3FGL)数据库下载了费米耀变体的位置坐标、伽马射线流量、能谱指数和光变指数等数据[6].3FGL目录中有484个平谱射电类星体(FSRQs)、660个BL Lac天体和573个位置亚类型的耀变体(BCUs)，共1 717个伽马射线耀变体，但3FGL里的位置坐标的误差太大(一般在10 arcsec以上)，所以用3LAC目录表中的相同源的位置坐标代替，而且还有三个源(CLASS J1454+1623，GB6 J0905+2748a，GB6 J0731+6718)的位置坐标需要从美国国家航空航天局的河外星系数据库(NASA/IPAC EXTRAGALACTIC DATABASE)或者SIMBAD天文数据库中证认出他们的准确坐标.最后，将这些带有准确位置坐标的数据文件通过网络上传到法国CDS数据库的交叉匹配服务器(CDS X-Match Service)上以2 arcsec的精度与Gaia DR2数据进行交叉匹配,最终得到1 558个Gaia-Fermi耀变体样本,包括629个BL Lac天体、470个平谱射电类星体(FSRQs)和459个未知亚类型的耀变体(BCUs).这些数据主要包括GP、GRP以及GRP波段的星等值以及6个能段的伽马射线流量值，三个光学波段的波长以及伽马射线的六个能段分别为 G(330-1 050 nm)、GBP(330-680 nm)、GRP(630-1 050 nm)、1-100 GeV、100-300 MeV、300-1 000 MeV、1-3 GeV、3-10 GeV和10-100 GeV;还包括光变指数(variability index)，它是基于卡方分布(chi square，χ2)得到的表示耀变体在伽马波段有光变的可能性(即光变的概率).

3 数据分析

3.1 样本交叉匹配的精度

对得到的Gaia-Fermi耀变体的角距离的分布进行研究，如图1所示，绝大多数的角距离都分布在0.01附近，表明匹配精度较高.

图1 BL Lac天体、平谱射电类星体和未知亚类型的耀变体的匹配角距离的分布

3.2 相关性分析

对BL Lac天体、FSRQ和BCU这三个子样本的数据进行了相关性分析，分析结果如图2、图3和图4 所示，光学波段G、GBP和GRP星等与3FGL的伽马射线6个能段的辐射流量之间的相关性均较强.对于FSRQ和BL Lac天体两个子样本，光学星等和伽马射线流量之间是反相关，这是因为星等对应于流量的对数的负数.各个子图的线性拟合的斜率(slope)、皮尔逊相关系数(R)以及拟合的点数(N,即拟合自由度n+2)都按顺序排列在表1中.在表1中Flux1、2、3、4、5和6 分别对应于伽马射线6个能段(1-100 GeV、100-300 MeV、300-1 000 MeV、1-3 GeV、3-10 GeV、10-100 GeV)辐射流量，V-index为光变指数.从图2-4及表1可以看出，光变指数与光学星等成反比，即星等越小(即越亮)伽马射线光变指数越大(光变概率越大).

图2 BL Lacs的G波段、GBP波段和GRP波段的光通量和光学变化指数的线性相关分析

Fig.2 The linear correlation analysis of the flux and the optical variation index in G band,GBPband and GRPband for BL Lacs

图3 平谱射电类星体的G波段、GBP波段和GRP波段的光通量和光学变化指数的线性相关分析

Fig.3 The linear correlation analysis of the flux and the optical variation index in G band,GBPband and GRPband for FSRQs

图4 未知亚类型的耀变体G波段、GBP波段和GRP波段的光通量和光学变化指数的线性相关分析

Fig.4 The linear correlation analysis of the flux and the optical variation index in G band,GBPband and GRPband for BCUs

表1 Gaia-Fermi耀变体的多波段相关性分析结果

4 结 语

将Gaia卫星二期数据与Fermi卫星三期数据中的耀变体进行交叉匹配，得到了1 558个Gaia-Fermi 耀变体，其中有629个BL Lac天体、470平谱射电类星体(FSRQs)以及459个未确定亚类型的耀变体(BCUs).比较三个子样本的多波段数据相关性分析的结果，可以看出，BL Lac天体的相关性最强，平谱射电类星体的相关性次之，而未确定亚类型的耀变体(BCUs)的相关性最弱.出现这种差异的原因可能是BL Lac天体的伽马射线辐射和光学辐射主要来自喷流[10]，平谱射电类星体的伽马射线辐射来自喷流而光学辐射可能来自喷流和吸盘以及宽发射线区域[13].