潘澤青， 周 絨， 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

平譜射電類星體PKS 1510-089的光學(xué)光變周期特性

潘澤青， 周 絨， 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，得到了平譜射電類星體PKS 1510-089從2006年到2016年的光學(xué)U波段歷史光變曲線.使用時間補(bǔ)償離散傅里葉變換對光變曲線中的周期成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：PKS 1510-089在光學(xué)U波段可能具有313天和557天的光變周期.

平譜射電類星體； PKS 1510-089； DCDFT； 光變周期

活動星系是一類河外星系，它在觀測上表現(xiàn)為明亮的核區(qū)和劇烈的物理活動，它的核簡稱活動星系核(AGN)，是當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)的研究前沿之一.活動星系核的分類標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，一般將其分為類星體，耀變體，塞夫特星系和射電噪類星體等.耀變體(Blazar)是活動星系核中備受關(guān)注的一類，它往往具有多波段的大幅度快速光變、高偏振、高光度、非熱連續(xù)輻射等觀測特征，并且在整個電磁波譜中表現(xiàn)出流量的快速變化[1,2].根據(jù)觀測現(xiàn)象的不同，又可將其分為兩個重要的子類：蝎虎天體(BL Lac)和平譜射電類星體(FSRQ).其中，蝎虎天體具有大幅度的短時標(biāo)光變、中等時標(biāo)光變、強(qiáng)而變化的光學(xué)偏振以及從射電波段到X射線甚至γ波段的非熱連續(xù)輻射等特征，其光譜是沒有發(fā)射線或發(fā)射線很弱的連續(xù)譜(等值寬度小于0.5nm)；平譜射電類星體表現(xiàn)出快速光變、高偏振以及由致密射電核主導(dǎo)的射電結(jié)構(gòu)等特征[3].

PKS 1510-089是廣受研究的平譜射電類星體，其紅移z=0.361.PKS 1510-089屬于光學(xué)激變體，具有強(qiáng)烈的發(fā)射線和劇烈的短時標(biāo)光變(時間從幾十分鐘到幾天)，目前發(fā)現(xiàn)它在多個波段存在長周期光變(時間從幾年到幾十年).PKS 1510-089是重要的GeV γ射電源，在能譜分布上存在大藍(lán)包，是少數(shù)既有γ輻射又出現(xiàn)大藍(lán)包的耀變體之一.PKS 1510-089最令人關(guān)注的特征是光變曲線表現(xiàn)出的周期性爆發(fā)和流量最小值的周期性變化，Xie等人[4]發(fā)現(xiàn)它的光學(xué)波段光變曲線每隔336±14天(0.92年)出現(xiàn)準(zhǔn)周期最小流量變化.PKS 1510-089的多波段觀測還表明其光變具有很大的靈活性，并表現(xiàn)為復(fù)雜的非正弦變化.目前，除了光學(xué)波段發(fā)現(xiàn)的約0.9年的光變周期，在其它波段也發(fā)現(xiàn)了類似的周期成分[5，6].例如：在射電37和22GHz波段，0.92±0.04 年和1.82±0.12已被證實(shí).在X射線1.5—12 keV和15—50 keV波段，李等人[7,8]也發(fā)現(xiàn)了約0.9年的光變周期.

為了豐富PKS 1510-089光變數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其周期特性，本文對Swift衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了PKS 1510-089光學(xué)U波段的光變曲線，并運(yùn)用傅里葉分析尋找光變曲線中的周期成分.

1 觀測數(shù)據(jù)

Swift伽馬暴快速反應(yīng)探測衛(wèi)星[9]發(fā)射于2004年，搭載有三個協(xié)同工作的探測設(shè)備：使用編碼版成像的伽馬暴爆發(fā)警示望遠(yuǎn)鏡(BAT,15—150 kev)，X射線望遠(yuǎn)鏡(XRT,0.2—10.0 kev)和在紫外/光學(xué)波段對伽馬暴余輝成像的紫外/光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(UVOT,170—600 nm).盡管Swift衛(wèi)星的首要目標(biāo)是觀測伽馬暴及其余輝，但由于它的觀測能力覆蓋了同步輻射和逆康普頓輻射的能譜范圍，使得它被廣泛用于耀變體的研究.

從2006年8月起，UVOT探測器對PKS 1510-089從紫外波段(UVW1、UVM2和UVW2)和光學(xué)波段(V，B和U)進(jìn)行了觀測.圖1展示了2015年7月30日PKS 1510-089的U波段的觀測圖像，圖中曝光時間為79 s.在從Swift數(shù)據(jù)庫獲取PKS 1510-089從2006年8月到2016年6月的觀測數(shù)據(jù)后，我們使用美國宇航局的高能天文軟件包HEAsoft進(jìn)行處理.我們首先對待處理波段的所有曝光數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，其次使用最新的光度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和HEAsoft中的uvotsource任務(wù)對目標(biāo)進(jìn)行測光.在對PKS 1510-089各波段觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行測光時，測光區(qū)域選定為以待測源的中心位置為圓心且半徑為5角秒的圓形區(qū)域，背景區(qū)域則為半徑為20角秒且不含待測源的圓形區(qū)域.測光所得的星等根據(jù)E(B-V)=0.084[10]，Cardelli等[11]的星際消光法則以及Poole等[12]給出的UVOT各波段中心波長進(jìn)行了星際消光.

圖1 PKS 1510-089的Swift/UVOT U波段觀測圖像

2 時間補(bǔ)償離散傅立葉變換

傅立葉變換(Fourier Transform)能對時間序列中存在的周期成分進(jìn)行頻域分析，是周期分析的常用方法.在光變周期分析中，如果觀測數(shù)據(jù)是均勻的離散序列x(ti)，i=1，2，3，...，N，則離散傅立葉變換(DiscreteFourierTransform,DFT)可表示為：

(1)

但是天文觀測數(shù)據(jù)多為離散且非均勻的，使用傳統(tǒng)的DFT方法需要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，從而使頻譜中出現(xiàn)偽周期成分。針對這個問題，人們提出了多種改進(jìn)算法，如：Lomb-Scargle周期圖法、CLEANest算法和時間補(bǔ)償離散傅立葉變換算法等.

時間補(bǔ)償離散傅立葉變換(Date-compensatedDiscreteFourierTransform,DCDFT)算法由Ferraz-Mello[13]于1981年提出.DCDFT首先利用施密特正交化方法將基函數(shù)sinωt、cosωt、1進(jìn)行正交處理，再將非均勻采樣的觀測數(shù)據(jù)投影到正交化后的3個向量上得到頻譜，能避免采樣間隔與周期相近時頻譜中出現(xiàn)偽周期.通常，在給定頻率ω處，DCDFT給出功率為：

(2)

式中，y為時間序列模擬函數(shù)，s2為方差.關(guān)于DCDFT的詳細(xì)說明請參考Ferraz-Mello的文獻(xiàn)[13].

3 光變周期

圖2 PKS 1510-089的光學(xué)U波段歷史光變曲線

平譜射電類星體PKS1510-089從2006年到2016年的光學(xué)U波段歷史光變曲線如圖2所示.光變曲線共包含了206個觀測數(shù)據(jù)，天體最暗時發(fā)生在2007年6月15日(16.32星等)，最亮?xí)r發(fā)生在2009年5月11日(14.19星等)，平均亮度15.71星等，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.44.從光變曲線可以看出PKS1510-089活動十分劇烈，在2009年5月，2013年9月和2015年5月均表現(xiàn)出劇烈的爆發(fā).例如2009年5月的爆發(fā)，亮度從16.27星等在90天內(nèi)迅速上升到14.19星等后，又下降到15.94星等，整個爆發(fā)持續(xù)約180天.從光變曲線的波動可以看出光變可能具有一定的周期性，但各觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)之間不是等間隔的，為了定量描述PKS1510-089的周期性特征，下面我們運(yùn)用DCDFT方法來分析其光變周期.

使用DCDFT的方法分析PKS1510-089光學(xué)U波段的光變曲線的結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出，主峰頻率為31.04dB，對應(yīng)周期約為313天，在該位置出現(xiàn)最強(qiáng)的信號.次高峰頻率為29.68dB，對應(yīng)的周期約為557天.此外，從圖3還可以看出，功率譜信號十分嘈雜，在200天和400天附近也出現(xiàn)了較高的峰，對應(yīng)著可能的周期成分.但是圖2中的U波段的光變曲線中存在較多的約200天大小的觀測空白，圖3中的200天和400天左右的周期成分可能是由這些觀測空白造成的.

圖3 PKS 1510-089的DCDFT分析

目前，有多種模型對PKS1510-089的周期性光變進(jìn)行解釋.其中，超大質(zhì)量雙黑洞模型認(rèn)為PKS1510-089的周期性光變可能是由于雙黑洞

的交食運(yùn)動產(chǎn)生的，即次黑洞繞主黑洞轉(zhuǎn)動，次黑洞對主黑洞的掩食造成的.Xie等人[4]發(fā)現(xiàn)的P1～0.9年和P2～1.8年的周期正是超大質(zhì)量雙黑洞模型的重要證據(jù).我們的研究表明PKS1510-089是一個非?；钴S的天體，在光學(xué)U波段可能具有約313天(0.86年)和557天(1.53年)的光變周期.其中，約313天的光變周期與X射線、射電和其它光學(xué)波段發(fā)現(xiàn)的約0.9年的光變周期[4-8]的結(jié)果是一致的，這也說明X射線、射電和光學(xué)波段的光變有著共同的起源.至于約1.53年的光變周期，與之前的研究結(jié)果并不吻合.這個周期可能是光變存在的真實(shí)周期成分，也可能是光學(xué)、射電和X射線波段證實(shí)的約1.8年的光變周期，由于觀測空白影響而造成的偽周期.

4 結(jié)論

PKS1510-089是活動劇烈的平譜射電類星體.Swift衛(wèi)星從X射線、紫外和光學(xué)波段對其進(jìn)行了持續(xù)觀測.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軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了PKS1510-089從2006年到2016年的光學(xué)U波段歷史光變曲線.PKS1510-089的光變曲線呈現(xiàn)復(fù)雜而劇烈的變化，以及多個持續(xù)時間為數(shù)月的爆發(fā).使用DCDFT方法進(jìn)行周期分析的結(jié)果表明，PKS1510-089在光學(xué)U波段可能具有313天和557天的光變周期.其中313天的光變周期與X射線、射電和其它光學(xué)波段發(fā)現(xiàn)的約0.9年的周期是一致的，三個波段的輻射有共同的起源.

[1]UrryC.M.andPadovaniP.Unifiedschemesforradio-loudactivegalacticnuclei[J].Publ.Astron.Soc.Pac.,1995,107,803—845.

[2]UlrichM.H.,MaraschiL.,UrryC.M.Variabilityofactivegalacticnuclei[J].Annu.Rev.Astron.Astrophys,1997,35,445—502.

[3]BottcherM,ReimerA,SweeneyK,etal.Leptonicandhadronicmodelingoffermi-detectedblazars[J].AstrophysJ.,2013,768,54—68.

[4]XieG.Z.,etal.Photometryofthreegamma-ray-loudquasarsandimplicationsforsupermassiveblackholes[J].Mon.Not.R.Astron.Soc.,2002,334,459—470.

[5]XieG.Z.,etal.PeriodicityAnalysisoftheRadioCurveofPKS1510-089andImplicationsforitsCentralStructure[J].AstronJ.,2008,135,2212—2216.

[6]ZhangH.J.,etal.ThecharacteristicperiodicityanalysisoftheradiofluxvariabilityofquasarPKS1510-089[].Sci.ChinaSer.G,2009,52(9):1442—1448.

[7]李孝攀, 張雄, 易庭豐. 類星體PKS1510-089的X波段光變周期特性研究[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報，2009,29(3):34—37.

[8]李孝攀, 張皓晶, 張雄. 類星體PKS1510-089的X射線流量變化周期特性[J]. 物理學(xué)報，2011,60(8):089801.

[9]GehrelsN.,etal.TheSwiftGamma-RayBurstMission[J].AstrophysJ., 2004, 611, 1005—1020.

[10]SchlegelE.F.,FinkbeinerD.P.MeasuringReddeningwithSloanDigitalSkySurveyStellarSpectraandRecalibratingSFD[J].AstrophysJ.,2011,737,103(13pp).

[11]CardelliJ.A.,etal.Therelationshipbetweeninfrared,optical,andultravioletextinction[J].AstrophysJ.,1989,345,245—256.

[12]PooleT.S.,etal.PhotometriccalibrationoftheSwiftultraviolet/opticaltelescope[J].Mon.Not.R.Astron.Soc.,2008,383,627—645.

[13]Ferraz-Mello,S.EstimationofPeriodsfromUnequallySpacedObservations[J].AstronJ.,1981,86,619—624.

Optical Variability Periodicity of the FSRQ PKS 1510-089

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

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

We present the U-band light curves of the FSRQ PKS 1510-089 in 2006-2016by performing the original observation data taken from Swift/UVOT archive. PKS 1510-089 shows strong optical variability with timescales from days to years. By means of the date-compensated discrete Fourier transform (DCDFT) method, we found the existence of the periodicities of 313 d and 557 d in the U band.

FSRQ; PKS 1510-089; DCDFT; variability periodicity

2016-08-16

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃(青年項目)(2013FD056)．

潘澤青(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)05-0026-04