周 絨， 潘澤青， 李孝攀

(昭通學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院， 云南 昭通 657000)

●物理學(xué)研究

蝎虎天體S5 0716+714的多波段光變

周 絨， 潘澤青， 李孝攀

(昭通學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院， 云南 昭通 657000)

對Swift/UVOT望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了蝎虎天體S5 0716+714從2005年到2016年的光學(xué)B和V波段歷史光變曲線，并計(jì)算了其色指數(shù)B-V.對該源的光變特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：(1)S5 0716+714光變活動十分劇烈，V和B波段光變有強(qiáng)相關(guān)性；(2)S5 0716+714在中等時標(biāo)上存在BWB(bluer-when-brighter)和RWB(redder-when-brighter)的顏色變化特性，在長時標(biāo)范圍上沒有明顯的顏色變化.

蝎虎天體； S5 0716+714； 光變； 色指數(shù)

耀變體(Blazar)是一類射電噪活動星系核，它在觀測上表現(xiàn)出極端的物理性質(zhì)，如：劇烈和迅速的光變，大且變化的偏振，視超光速運(yùn)動和連續(xù)的非熱輻射等.耀變體的輻射覆蓋整個電磁波譜，并表現(xiàn)出劇烈的變化，其輻射主要來自于指向觀測者方向的噴流，因此具有很強(qiáng)的相對論效應(yīng).耀變體有兩個子類：蝎虎天體(BL Lac)和平譜射電類星體(FSRQ).耀變體的能譜分布(SED)呈現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)[1,2]，低能峰位于紅外至X射線波段，高能峰在γ射線波段.由于其射電至光學(xué)波段的高偏振，一般認(rèn)為低能輻射由相對論性噴流中的同步輻射產(chǎn)生，即低能輻射成分是同步加速輻射，但高能輻射的起源仍存在較大的爭議。輕子模型認(rèn)為高能輻射主要是由相對論電子和軟光子的逆康普頓散射(IC)引起.根據(jù)種子光子的來源，又可分為同步自康普頓(SSC)模型和外部輻射康普頓(ERC)模型.強(qiáng)子模型則認(rèn)為相對論質(zhì)子在強(qiáng)磁場環(huán)境中被加速，質(zhì)子與光子間的相互作用以及與質(zhì)子間的相互作用是必須考慮的[3].

S5 0716+714是廣受研究的蝎虎天體，長期以來備受人們關(guān)注.其紅移z=0.31±0.08[4]，是一個著名的具有短時標(biāo)光變的耀變體.在整個電磁波段，S5 0716+714均表現(xiàn)得十分活躍，天文學(xué)家多對它的光變有深入的研究.Fuhrmann等人[5]發(fā)現(xiàn)其流量變化在厘米到亞毫米波段具有很強(qiáng)的相關(guān)性，射電譜在86 GHz附近出現(xiàn)反轉(zhuǎn).Wagner等人[6]發(fā)現(xiàn)其流量存在1天至7天的準(zhǔn)周期變化，并且觀察到光學(xué)U，B，V，R和I各波段和射電波段光變曲線具有強(qiáng)相關(guān)性.Impey等[7]對S5 0716 +714的光學(xué)偏振資料進(jìn)行分析研究后，發(fā)現(xiàn)它的偏振可能存在12.5、2.5和0.14天的快速光變周期.馬力等人[8]對S5 0716+714從1994至2000年間的光學(xué)I波段的光變曲線進(jìn)行周期分析發(fā)現(xiàn)其存在14天的光變周期.在對S5 0716+714能譜分布模型的研究中，Ghisellini等[9]指出非均勻模型在解釋X射線波段流量的快速變化要優(yōu)于均勻模型；Tagliaferri等[10]指出單一的SSC模型不能解釋γ射線譜，可能需要考慮外部軟光子的散射.

本文對Swift衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了S5 0716+714光學(xué)B和V波段的觀測數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步分析了該源的光變特性.

1 觀測數(shù)據(jù)

Swift伽馬暴快速反應(yīng)探測衛(wèi)星[11]除了具備觀測X射線波段(15-150 keV 和0.2-10 keV)的能力，還能使用搭載的紫外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡UVOT (Ultraviolet Optical Telescope)在紫外/光學(xué)波段(170—650 nm)進(jìn)行準(zhǔn)同時觀測.盡管UVOT的視場(17′× 17′)有限，但由于它在紫外波段具有較高的分辨本領(lǐng)，并能避免大氣消光、衍射以及背景輻射等的影響，這使得它成為紫外/光學(xué)波段重要的觀測設(shè)備.UVOT使用光子計(jì)數(shù)探測器，能夠保留單個光子的位置和時間等信息，其操作方法相對于傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言，更類似于典型的X射線望遠(yuǎn)鏡.UVOT使用濾波器轉(zhuǎn)輪上安裝的6色濾波片進(jìn)行循環(huán)觀測.其中，光學(xué)波段有U、V和B濾波片，紫外波段有UVW1、UVM2和UVW2濾波片.

在從Swift數(shù)據(jù)庫獲取S5 0716+714從2005年4月到2016年3月的觀測數(shù)據(jù)后，我們使用高能天文軟件包HEAsoft內(nèi)的Swift/UVOT程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體步驟如下：(1) 合并待處理波段的所有曝光數(shù)據(jù)；(2) 使用uvotdetect子程序和最新的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)提取目標(biāo)位置等信息；(3) 使用最新的光度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和uvotsource子程序，獲得目標(biāo)的星等值；(4) 使用E(B-V)=0.0265[12]，星際消光法則[13]和各波段中心波長[14]處理星際消光.

2 光變特性

2.1 S50716+714的光變曲線

蝎虎天體S5 0716+714從2005年4月到2016年3月的光學(xué)V和B波段歷史光變曲線如圖1所示.圖中，正方形表示V波段的光變，倒三角表示B波段的光變.天體最亮?xí)r，V波段星等值達(dá)11.66星等 (2015年1月25日)，B波段星等值達(dá)12.66星等 (2008年4月29日)；最暗時星等值分別為15.35星等 (2014年1月5日)和15.80星等 (2014年1月5日).由觀測數(shù)據(jù)還可得V波段星等平均值為13.56星等，B波段星等平均值為13.98星等，兩個波段光變曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.68和0.72.

從光變曲線可以看出S5 0716+714活動十分劇烈，在V和B波段均發(fā)生亮度的快速變化.數(shù)據(jù)顯示，在整個觀測區(qū)間至少發(fā)生了5次大爆發(fā).第一次發(fā)生在儒略日2 454 400附近，此次爆發(fā)持續(xù)了約10天左右；第二次爆發(fā)于2 455 180附近，持續(xù)時間約為35天；第三次爆發(fā)時間在2 455 550附近，持續(xù)時間約為50天；第四次、第五次爆發(fā)于2 456 010和2 457 040附近，但由于存在較大的觀測空白，無法對持續(xù)時間進(jìn)行估計(jì)。此外，從圖1中還可看出兩波段的亮度變化有相似的趨勢.對V和B波段的亮度做線性回歸分析，結(jié)果為：

(1)

Pearson相關(guān)系數(shù)為0.986.這說明兩波段的光變具有很強(qiáng)的相關(guān)性，二者的輻射可能產(chǎn)生于同一輻射區(qū)域.

圖1 S5 0716+714的光學(xué)V和B波段歷史光變曲線

2.2 色指數(shù)變化曲線

為了研究S5 0716+714的顏色變化，我們對光變數(shù)據(jù)中的準(zhǔn)同時數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，最終得到140組V和B波段的準(zhǔn)同時性觀測數(shù)，并計(jì)算了色指數(shù)B-V.色指數(shù)變化曲線如圖2所示.圖中，菱形代表色指數(shù)B-V，數(shù)值越小，星體的顏色越接近于藍(lán)色，反之，星體的顏色越接近于紅色.圖2中，色指數(shù)最大值為0.43星等，最小值為-0.24星等，平均值為0.42星等，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12.從圖2中還可以看到S5 0716+714的色指數(shù)不斷快速上升和下降，變化十分劇烈，但它與V和B波段的亮度變化之間的關(guān)系很難直接得出.此外，從圖中還可以觀察到色指數(shù)變化可能具有一定的周期性.

圖2 S5 0716+714的色指數(shù)變化曲線

2.3 光變曲線和色指數(shù)的關(guān)系

圖3 S5 0716+714的亮度變化和色指數(shù)變化 的線性回歸分析(圖中實(shí)線為回歸線)

為了研究S5 0716+714的亮度變化和色指數(shù)變化之間的關(guān)系，我們使用線性回歸方法進(jìn)行分析.圖3給出了在長時標(biāo)范圍上二者的關(guān)系，橫軸為V和B波段準(zhǔn)同時觀測數(shù)據(jù)的平均亮度，縱軸為對應(yīng)的色指數(shù).線性回歸的結(jié)果為：

(2)

Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.13，概率P=0.14.由此可見，在長時標(biāo)范圍上，S5 0716+714的亮度變化和色指數(shù)變化并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性.即在長期觀測上，盡管S5 0716+714的亮度變化劇烈，但是并未表現(xiàn)出明顯的顏色變化趨勢.

為了深入研究S5 0716+714的顏色變化，本文對爆發(fā)期內(nèi)的情況進(jìn)行了分析.在2011年7月的爆發(fā)上升期中，天體的V波段亮度從14.56星等上升到13.20星等，持續(xù)時間約為103天 (JD2455758-2455861).亮度和色指數(shù)變化在該區(qū)間的線性回歸分析為：

(3)

Pearson相關(guān)系數(shù)r=-0.93，概率P=0.07.這說明，在該區(qū)間隨著亮度的增加，色指數(shù)反而減小，天體的顏色變藍(lán).這種特性稱為BWB(bluer-when-brighter)，即目標(biāo)變亮，顏色變藍(lán).而在2015年1月的爆發(fā)下降期中，天體的V波段亮度從11.66星等下降到13.22星等，持續(xù)時間約為6天 (JD2457047-2457053).亮度和色指數(shù)變化在該區(qū)間的線性回歸分析為：

(4)

Pearson相關(guān)系數(shù)r=-0.86，概率P=0.01.這說明，在該區(qū)間隨著亮度的減小，色指數(shù)也減小，天體的顏色變藍(lán).這種特性稱為RWB(redder-when-brighter)，即目標(biāo)變亮，顏色變紅.BWB和RWB的特性在耀變體中均被發(fā)現(xiàn)，并被廣泛研究，噴流中的激波模型能對其進(jìn)行合理解釋.至于在長時標(biāo)范圍沒有明顯的顏色變化的情況，我們認(rèn)為這是由于中等時標(biāo)，特別是爆發(fā)期內(nèi)表現(xiàn)出來的BWB和RWB特性共同作用造成的.

3 結(jié)論

光變是耀變體十分重要的觀測特征，對其進(jìn)行研究能夠加深我們對其能源機(jī)制和外圍環(huán)境的認(rèn)識.S5 0716+714是活動劇烈的蝎虎天體，在整個電磁波段都有著良好的觀測記錄.我們從Swift數(shù)據(jù)庫獲取了UVOT望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，使用HEAsoft軟件包按標(biāo)準(zhǔn)處理過程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了S5 0716+714從2005年4月到2016年3月的光學(xué)V和B波段的歷史光變曲線.

光變曲線顯示S5 0716+714活動劇烈，V和B波段的光變具有強(qiáng)相關(guān)性，兩個波段的輻射可能有共同的起源.利用準(zhǔn)同時性觀測數(shù)據(jù)計(jì)算了色指數(shù)B-V，并分析了不同時標(biāo)下亮度變化與譜指數(shù)變化的關(guān)系.S5 0716+714在長時標(biāo)范圍表現(xiàn)為單色性，而在中等時標(biāo)，特別是爆發(fā)期內(nèi)，S5 0716+714表現(xiàn)出BWB和RWB的兩種顏色特性.中等時標(biāo)的兩種特性共同作用導(dǎo)致了長時標(biāo)沒有明顯的顏色變化，激波模型能對發(fā)現(xiàn)的顏色特性作出解釋.

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Multi-waveband Variability of the BL Lac Object S5 0716+714

ZHOU Rong, PAN Ze-qing, LI Xiao-pan

(School of Physics and Electronic & Information Engineering, Zhaotong University, Zhaotong 657000, China)

We present the B-and V-band light curves and the corresponding color index B-V curve of BL Lac object S5 0716+714 in 2005—2016 by performing the original observation data taken from Swift/UVOT archive. S5 0716+714 shows strong optical variability with well-correlated light curve in the V and R bands. The correlation between flux variability and color index indicates that S5 0716+714 exhibits BWB(bluer-when-brighter) and RWB(redder-when-brighter) features during medium-term timescale, and a mildly chromatic behaviour during long-term timescale.

BL Lacs; S5 0716+714; variability; color index

2016-08-16

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(青年項(xiàng)目)(2013FD056)．

周絨(1994— )，女，云南昭通人，本科在讀，主要從事物理學(xué)研究.

李孝攀(1986— )，男，云南昭通人，講師，碩士，主要從事天體物理研究.

P157.6

A

2095-7408(2016)05-0030-05