平譜射電類星體PKS 1510-089的光學光變周期特性

潘澤青， 周 絨， 李孝攀

(昭通學院 物理與電子信息工程學院， 云南 昭通 657000)

●物理學研究

平譜射電類星體PKS 1510-089的光學光變周期特性

潘澤青， 周 絨， 李孝攀

(昭通學院 物理與電子信息工程學院， 云南 昭通 657000)

對Swift/UVOT望遠鏡的觀測數據進行處理，得到了平譜射電類星體PKS 1510-089從2006年到2016年的光學U波段歷史光變曲線.使用時間補償離散傅里葉變換對光變曲線中的周期成分進行分析，結果表明：PKS 1510-089在光學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，它在觀測上表現為明亮的核區和劇烈的物理活動，它的核簡稱活動星系核(AGN)，是當今物理學和天文學的研究前沿之一.活動星系核的分類標準并不統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、非熱連續輻射等觀測特征，并且在整個電磁波譜中表現出流量的快速變化[1,2].根據觀測現象的不同，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光變、中等時標光變、強而變化的光學偏振以及從射電波段到X射線甚至γ波段的非熱連續輻射等特征，其光譜是沒有發射線或發射線很弱的連續譜(等值寬度小于0.5nm)；平譜射電類星體表現出快速光變、高偏振以及由致密射電核主導的射電結構等特征[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屬于光學激變體，具有強烈的發射線和劇烈的短時標光變(時間從幾十分鐘到幾天)，目前發現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包，是少數既有γ輻射又出現大藍包的耀變體之一.PKS 1510-089最令人關注的特征是光變曲線表現出的周期性爆發和流量最小值的周期性變化，Xie等人[4]發現它的光學波段光變曲線每隔336±14天(0.92年)出現準周期最小流量變化.PKS 1510-089的多波段觀測還表明其光變具有很大的靈活性，并表現為復雜的非正弦變化.目前，除了光學波段發現的約0.9年的光變周期，在其它波段也發現了類似的周期成分[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.在X射線1.5—12 keV和15—50 keV波段，李等人[7,8]也發現了約0.9年的光變周期.

為了豐富PKS 1510-089光變數據，驗證其周期特性，本文對Swift衛星的觀測數據進行處理，得到了PKS 1510-089光學U波段的光變曲線，并運用傅里葉分析尋找光變曲線中的周期成分.

1 觀測數據

Swift伽馬暴快速反應探測衛星[9]發射于2004年，搭載有三個協同工作的探測設備：使用編碼版成像的伽馬暴爆發警示望遠鏡(BAT,15—150 kev)，X射線望遠鏡(XRT,0.2—10.0 kev)和在紫外/光學波段對伽馬暴余輝成像的紫外/光學望遠鏡(UVOT,170—600 nm).盡管Swift衛星的首要目標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)和光學波段(V，B和U)進行了觀測.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數據庫獲取PKS 1510-089從2006年8月到2016年6月的觀測數據后，我們使用美國宇航局的高能天文軟件包HEAsoft進行處理.我們首先對待處理波段的所有曝光數據進行合并，其次使用最新的光度校準數據和HEAsoft中的uvotsource任務對目標進行測光.在對PKS 1510-089各波段觀測數據進行測光時，測光區域選定為以待測源的中心位置為圓心且半徑為5角秒的圓形區域，背景區域則為半徑為20角秒且不含待測源的圓形區域.測光所得的星等根據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，如果觀測數據是均勻的離散序列x(ti)，i=1，2，3，...，N，則離散傅立葉變換(DiscreteFourierTransform,DFT)可表示為：

(1)

但是天文觀測數據多為離散且非均勻的，使用傳統的DFT方法需要對觀測數據進行插值，從而使頻譜中出現偽周期成分。針對這個問題，人們提出了多種改進算法，如：Lomb-Scargle周期圖法、CLEANest算法和時間補償離散傅立葉變換算法等.

時間補償離散傅立葉變換(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sinωt、cosωt、1進行正交處理，再將非均勻采樣的觀測數據投影到正交化后的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，s2為方差.關于DCDFT的詳細說明請參考Ferraz-Mello的文獻[13].

3 光變周期

圖2 PKS 1510-089的光學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個觀測數據，天體最暗時發生在2007年6月15日(16.32星等)，最亮時發生在2009年5月11日(14.19星等)，平均亮度15.71星等，標準偏差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月均表現出劇烈的爆發.例如2009年5月的爆發，亮度從16.27星等在90天內迅速上升到14.19星等后，又下降到15.94星等，整個爆發持續約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，但各觀測數據點之間不是等間隔的，為了定量描述PKS1510-089的周期性特征，下面我們運用DCDFT方法來分析其光變周期.

使用DCDFT的方法分析PKS1510-089光學U波段的光變曲線的結果如圖3所示.從圖3中可以看出，主峰頻率為31.04dB，對應周期約為313天，在該位置出現最強的信號.次高峰頻率為29.68dB，對應的周期約為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天附近也出現了較高的峰，對應著可能的周期成分.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的周期性光變進行解釋.其中，超大質量雙黑洞模型認為PKS1510-089的周期性光變可能是由于雙黑洞

的交食運動產生的，即次黑洞繞主黑洞轉動，次黑洞對主黑洞的掩食造成的.Xie等人[4]發現的P1～0.9年和P2～1.8年的周期正是超大質量雙黑洞模型的重要證據.我們的研究表明PKS1510-089是一個非常活躍的天體，在光學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、射電和其它光學波段發現的約0.9年的光變周期[4-8]的結果是一致的，這也說明X射線、射電和光學波段的光變有著共同的起源.至于約1.53年的光變周期，與之前的研究結果并不吻合.這個周期可能是光變存在的真實周期成分，也可能是光學、射電和X射線波段證實的約1.8年的光變周期，由于觀測空白影響而造成的偽周期.

4 結論

PKS1510-089是活動劇烈的平譜射電類星體.Swift衛星從X射線、紫外和光學波段對其進行了持續觀測.我們從Swift數據庫獲取了UVOT望遠鏡的觀測數據，使用HEAsoft軟件包進行數據處理，得到了PKS1510-089從2006年到2016年的光學U波段歷史光變曲線.PKS1510-089的光變曲線呈現復雜而劇烈的變化，以及多個持續時間為數月的爆發.使用DCDFT方法進行周期分析的結果表明，PKS1510-089在光學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、射電和其它光學波段發現的約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]. 云南師范大學學報，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

云南省應用基礎研究計劃(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