PKS 2155-304光學I波段光變周期特性

楊海燕 ， 李孝攀 ， 羅玉輝 ， 木 繁

（1.昭通學院 物理與信息工程學院，云南 昭通 657000； 2.昆明理工大學 津橋學院，云南 昆明 650106）

●物理學研究

PKS 2155-304光學I波段光變周期特性

楊海燕1， 李孝攀1， 羅玉輝1， 木 繁2

（1.昭通學院 物理與信息工程學院，云南 昭通 657000； 2.昆明理工大學 津橋學院，云南 昆明 650106）

使用位于智利的REM望遠鏡從2005年4月11日到2012年6月30日的觀測數(shù)據(jù)，得到BL Lac天體PKS 2155-304光學I波段的光變曲線.應用Jurkevich方法對光變曲線進行周期特性分析，結果表明：PKS 2155-304在光學I波段具有313天的準周期.

BL Lac天體；PKS 2155-304；Jurkevich方法；光變周期

1 引言

耀變體是活動非常劇烈的活動星系核，在各個電磁波段均表現(xiàn)出非常劇烈的高能現(xiàn)象.它可以分為蝎虎天體（BL Lac）和平譜射電類星體（FSRQ）兩個子類.耀變體的觀測能段覆蓋了從射電波段到高能伽馬射線波段，目前發(fā)現(xiàn)耀變體在不同波段均表現(xiàn)出的劇烈的光變，變化時標從幾天到幾年，時標小于一小時的快速光變也被廣泛觀測到.流量變化是了解耀變體物理結構和發(fā)射機制的有力工具.本文重點研究BL Lac天體PKS 2155-304的光學波段流量變化特性.

紅移量z為0.116的高頻峰BL Lac天體PKS 2155-304是在X射線和遠紫外波段最亮的BL Lac天體之一[1].PKS 2155-304是自從上世紀70年代發(fā)現(xiàn)以來最受關注的研究目標之一，目前可以使用的觀測數(shù)據(jù)覆蓋了射電波段到TeV能級的γ射線波段[2-3].1993年，Urry等人[4]在大約一個月的持續(xù)觀測中通過觀測流量時間圖，發(fā)現(xiàn)了紫外和光學波段的光變周期為0.7天.2000年，F(xiàn)anamp; Lin[5]收集了一組大約17年的UBVRI的觀測數(shù)據(jù)，使用Jurkevich方法和DCF方法得到了光學V波段具有約4.16年和7.0年的準周期.2009年，Lachowicz等人[6]使用來自XMM-Newton在2006年5月1日當天約64千秒的0.3-10keV能段的X射線觀測數(shù)據(jù)，通過周期圖、SF（結構函數(shù)法）和小波分析方法得到了約4.6小時的準周期性，并且得到相當令人信服的正弦光變曲線.2011年，M.A.Kastendieck 等人[7]使用 LSP（Lomb-Scargle周期圖）、SF（結構函數(shù)法）和MFVF（多段方差函數(shù)法）方法分析PKS 2155-304近77年來的觀測數(shù)據(jù)，得到光學R波段具有2.7年的光變周期.2012年，畢等人[8]通過Jurkevich方法對PKS 2155-304光學R波段從2004到2011年的觀測數(shù)據(jù)進行分析,得到PKS 2155-304光學R波段具有314天的中短時標光變周期.2014年，Zhang等人[9]搜集了來自25個天文組的共約8000個數(shù)據(jù)點的光度數(shù)據(jù)，得到了約35年的R波段光變曲線，使用DCF、Jurkevich方法和Leahy統(tǒng)計法得到光學R波段317天的準周期.同年，這個周期也被Sandrinelli等人[10]應用VRIJHK波段的數(shù)據(jù)通過DCDFT方法證實了.2015年，高等人[11]通過分析文獻中獲得的從2004年到2012年的近八年的觀測數(shù)據(jù)，得到PKS 2155-304光學VRI波段存在約311.8天的光變周期.

為了更好地研究BL Lac天體PKS 2155-304的光變性質，并檢驗其在光學I波段的周期特性，本文從文獻中搜集了2005年4月11日到2012年6月30日的非均勻觀測數(shù)據(jù)，使用Jurkevich方法尋找光學I波段光變曲線中的周期成分.

2 觀測數(shù)據(jù)

我們從文獻[12]中搜集了PKS 2155-304的光學I波段觀測數(shù)據(jù).這批數(shù)據(jù)使用REM望遠鏡(The Rapid Eye Mounting Telescope)觀測.REM望遠鏡是一臺60cm口徑，位于ESO Cerro La Silla天文臺(智利)的自動化望遠鏡[13].REM望遠鏡最初用于對Swift伽馬射線暴余輝進行光學或近紅外波段觀測，目前也廣泛用于耀變體的多波段觀測.REM望遠鏡配置有Ritchey-Chretien系統(tǒng)并搭配兩臺相機，REMIR相機用于近紅外觀測[12]，ROSS相機主要用于光學觀測[14]，兩者都有10×10弧分的視場，并分別帶有NIR (z, J, H, and K) 和Johnson-Cousins VRI濾波器.REMIR和ROSS相機使得REM望遠鏡可以獲得光學/近紅外波段的準同時觀測數(shù)據(jù).REM軟件系統(tǒng)還能夠使望遠鏡以全自動的方式執(zhí)行復雜的觀察策略.我們使用的光學I波段觀測數(shù)據(jù)是通過孔徑測光獲得，測光時使用的孔徑大小為5角秒，曝光積分時間約為300秒[12].

3 Jurkevich方法

Jurkevich方法是一種基于期望均方差處理非等間距數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學方法[15].當我們處理一個由N個數(shù)據(jù)構成的樣本時，樣本的平均值、總離差平方和和總方差分別為：

Jurkevich方法按照試驗周期對觀測數(shù)據(jù)進行折疊分組處理，再對每一批分組數(shù)據(jù)取平均值并計算離差平方和，并將每組的離差平方和求和得到總離差平方和第l組測量數(shù)據(jù)平均值、離差平方和及方差分別為：

其中Nl為第l組觀測數(shù)據(jù)的個數(shù)，則m個組各自離差平方和的總和為：

4 光變周期分析

BL Lac天體PKS 2155-304從2005年4月11日到2012年6月30日的光學I波段光變曲線如圖2所示，該曲線由281個觀測數(shù)據(jù)構成.其中最暗發(fā)生在2012年2月29日（13.492星等），2006年11月21日最亮（11.332星等），平均亮度為12.315星等，標準偏差0.553.在2005年11月、2006年9月和2010年1月均出現(xiàn)了非常劇烈的爆發(fā).例如在2010年1月的爆發(fā)，亮度迅速地從13.486星等在321天內上升到了11.722星等之后，又下降到13.428星等，整個爆發(fā)時間持續(xù)約604天.從光變曲線可以看出PKS 2155-304非常活躍，根據(jù)光變曲線的波動可以推斷可能具有一定的周期成分.由于觀測數(shù)據(jù)的間隔不均勻，為了能夠量化PKS 2155-304的周期成分，我們運用Jurkevich方法進行分析.

運用Jurkevich方法分析PKS 2155-304光學I波段的周期成分，根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)，選擇不同的分組數(shù)m，分別取m=5、m=10、m=15進行分析，得到與P的關系如圖2所示，其中橫坐標為周期，單位為天，縱坐標為各分組離差平方和總和.由圖2可看出PKS 2155-304光學I波段表現(xiàn)出很強的周期性，且存在至少兩個顯著的周期成分.第一個顯著的周期成分為P1=313天，且與m的取值無關，即當m=5，m=10和m=15時，Vm2均出現(xiàn)了顯著的低谷，f值依次為1.237，1.519和1.660.它的第二個周期成分P2出現(xiàn)在約P=630天附近，當m=5，m=10和m=15時，f值均大于0.5，可見這個周期成分也十分顯著.使用Jurkevich方法分析PKS 2155-304的光學I波段光變周期特性得到兩個顯著周期成分的分析結果詳見表1.

由圖2還可以看出分組數(shù)m會對Vm2-P圖產生影響.由于分組數(shù)不斷增大時，統(tǒng)計漲落對Jurkevich方法的影響也變大，Vm2信號變得嘈雜，因此選擇恰當?shù)姆纸M數(shù)很重要.對比以上兩個可能存在的周期成分可以看出：P2≈2P1，由此可以推斷P2可能是由于P1的周期成分疊加得到.綜上所述，BL Lac天體PKS 2155-304的光學I波段可能存在P1=313天的周期成分.

表1.使用Jurkevich方法分析PKS 2155-304的光學I波段光變周期特性

圖1.PKS 2155-304光學I波段光變曲線圖

5 結論與討論

PKS 2155-304是一個活動劇烈的BL Lac天體.REM望遠鏡從近紅外到光學波段對該天體進行持續(xù)觀測.我們使用REM觀測的PKS 2155-304從2005年4月11日到2012年6月30日的光學I波段數(shù)據(jù)，通過Jurkevich方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到了PKS 2155-304的光學I波段可能存在313天的周期成分，該結果與Zhang等人[9]、Sandrinelli等人[10]報道的PKS 2155-304光學R波段發(fā)現(xiàn)的約317天的準周期以及畢等人[8]報道的PKS 2155-304光學R波段發(fā)現(xiàn)的約314天的周期和高等人[11]報道的光學V波段約311.8天的周期是一致的，因此可以推斷PKS 2155-304在光學的VRI波段的輻射具有共同的起源.

圖2.PKS 2155-304的光學I波段-P關系圖

對于活動星系核的周期性光變現(xiàn)象，已經(jīng)有很多模型來對其進行解釋，如雙黑洞模型[17-18]、螺旋噴流模型[19-22]等.早在2012年，H.E.S.S就提出PKS 2155-304的多波段輻射可以通過同步自康普頓輻射模型來解釋[23].本文得到的PKS 2155-304在光學I波段具有313天的準周期，極有可能是同步自康普頓輻射模型中噴流產生的輻射粒子在傳播過程中由于輻射角發(fā)生變化，從而引起輻射流量的周期性變化.我們可以認為，輻射角較小的時候，輻射流量變大，此時觀測的觀測結果會變亮；反之，在輻射角變大的情況下，由于輻射流量變小，導致觀測結果變暗.

[1]Kirk,J.G.; Rieger,F.M.; Mastichiadis,A.Particle acceleration and synchrotron emission in blazar jets[J].Aamp;A,1998,333:452-458.

[2]Aharonian,F.,et al.An Exceptional Very High Energy Gamma-Ray Flare of PKS 2155-304[J].ApJ,2007,664(2):71-74.;

[3]Foschini,L., et al.Infrared to X-ray observations of PKS 2155-304 in a low state[J].Aamp;A,2008,484(3):35-38.

[4]Urry,C.M., et al.Multiwavelength monitoring of the BL Lacertae object PKS 2155-304.I - The IUE campaign[J].Astrophysical Journal - Part 1,1993,411(2):614-631.

[5]Fan,J.H.,Lin,R.G.The variability analysis of PKS 2155-304[J].Aamp;A,2000,355,880-884.

[6]Lachowica,P.,Gupta,A.C.,Gaur,H.,Wiita,P.J.A ~4.6 h quasi-periodic oscillation in the BL Lacertae PKS 2155-304?[J].Aamp;A,2009,506(2):17-20.

[7]M.A.Kastendieck.,M.C.B.Ashley.,D.Horns.Long-term optical variability of PKS 2155-304[J].Aamp;A,2011,531,123-133.

[8]畢雄偉，張青友，和萬全.BL Lac天體PKS 2155-304的光學周期分析[J].云南師范大學學報(自然科學版):2012,32(6):1-5.

[9]Zhang,Bing-Kai.,Zhao,Xiao-Yun.,Wang,chun-Xiao.,Dai,Ben-Zhong.Optical quasi-periodic oscillation and color behavior of blazar PKS 2155-304[J].RAA,2014,14(8):933-941.

[10]Sandrinelli,A.,Covino,S.,Treves,A.Quasi-periodicities of the BL Lacertae Object PKS 2155-304[J].ApJ,2014,793(1):1-4.

[11]高蓉，楊金雪，李懷珍.BL Lac天體PKS 2155-304光變特性分析[J].云南師范大學學報(自然科學版)，2015，35(1):1-4.

[12]Sandrinelli,A.,Covino,S.,Treves.A.Long and short term variability of seven blazar in six near-in frared/optical bands[J].Aamp;A,2014,562,79-98.

[13]Conconi,Paolo.,et al.The commissioning of the REM-IR camera at La Silla[J].SPIE,2004,5492,1602-1612.

[14]Tosti,Gino.,et al.The REM optical slitless spectrograph (ROSS)[J].SPIE,2004,5492,689-700.

[15]Juekevich,I.A Method of Computing Periods of Cyclic Phenomena[J].ASS,1917,13(1):154-167.

[16]Kidger,M.,Takalo,L.,Sillanpaa,A.A new analysis of the 11-year period in OJ287 - Confirmation of its existence[J].Aamp;A,1992,264(1):32-36.

[17]Valtaoja,E., et al.Radio Monitoring of OJ 287 and Binary Black Hole Models for Periodic Outbursts[J].ApJ,2000,531(2):744-755.

[18]Xie,G.Z., et al.Photometry of three gamma-ray-loud quasars and implications for supermassive black holes*[J].MNRAS,334(2):459-470.

[19]Rani,B.,Wiita,P.J., Gupta, A.C.Nearly Periodic Fluctuations in the Long-term X-Ray Light Curves of the Blazars AO 0235+164 and 1ES 2321+419[J].ApJ,2009,696(2):2170-2178.

[20]Lainela,M., et al.The 65 Day Period in 3C 66A during Bright State[J].ApJ,1999,521(2):561-564.

[21]Villata,M., Raiteri,C.M.Helical jets in blazars.I.The case of MKN 501[J].Aamp;A,1999,347,30-36.

[22]Li,H.Z., et al.The Periodicity Analysis of the Light Curve of 3C 279 and Implications for the Precession Jet[J].PASP,2009,121(885):1172-1179.

[23]H.E.S.S.Collaborration., et al.A multiwavelength view of the flaring state of PKS 2155-304 in 2006[J].Aamp;A,2012,539:149-172.

The Light Curve Variability Period of PKS 2155-304 in Optical I Band

YANG Hai-yan1, LI Xiao-pan1, LUO Yu-hui1, MU Fan2
(1.School of Physics and Information Engineering, Zhaotong University, Zhaotong 657000, China;2.Oxbridge College, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650106,China)

We present the optical I band light curve of PKS 2155-304 from 11 April 2005 to 30 June 2012 by performing the original observation data taken from the REM telescope in Chile.Using the Jurkevich method,we found that the light curve variability period of BL Lac PKS 2155-304 in opitical I band is about 313 days.

BL Lac objects ; PKS 2155-304 ; Jurkevich method ; variability period

P157.6

A

2095-7408（2017）05-0016-04

2017-08-30

云南省教育廳科學研究基金資助性項目(2017ZZX079).

楊海燕（1987— ），女，云南尋甸人，碩士，助教，主要從事理論物理、天體物理等研究.