类星体3C273的多波段光变周期分析*

毕雄伟，和万全，田家金，张青友，蔡 群

(红河学院理学院，云南 蒙自 661100)

光变是Blazar天体的一个重要特征，现已观测到Blazar天体从射电波段到γ射线波段都存在光变［1－2］。通过研究光变可以获得Blazar天体内部结构和物理特征等大量信息，包括中心黑洞质量和辐射区域大小等信息［3］。Blazar天体的光变分为短时标光变和中、长时标的周期性光变，引起不同光变的原因可能不同，为此人们已提出许多理论模型解释引起不同光变时标的原因，如中心双黑洞模型、星际闪烁、微引力透镜模型、激波模型、进动吸积盘模型等［4－6］。

3C273是一个较亮的高偏振类星体，也是一个典型的Blazar天体，红移量z=0.158。Smith等人在1963年第一次认证了3C273为河外射电源，并获得了3C273的光变曲线［7］。1985年Angione等人［8］收集了3C273 1887～1980共93年的历史光学观测数据，并用功率谱方法分析了天体的光变周期，发现3C273的光变具有周期性。在此后的几十年中，很多学者和研究机构加入到3C273的研究中，对其进行了长期多波段的监测，获得了3C273较完备的观测数据。例如，Fan等人［9］用Jurkevich方法和离散相关函数(DCF)方法研究了3C273光学波段的长期变化周期，发现3C273在光学波段存在2.1、3.64和22.5年的光变周期。Zhang等人［10］研究了3C273的光变周期，发现其存在10.5年的光变周期。Manchanda等人［11］发现3C273在光学波段存在13.5年的光变周期。Wang等人［12－13］研究了3C273在射电、光变波段的变化特征，发现在22 GHz波段存在7.0和14.7年的周期，在37 GHz波段存在7.2和14.5年的周期。Le等人［14］研究了类星体3C273在近红外波段的变化特性。Wu等人［15］研究了类星体3C273在X射线波段的光变特性。Türler＆ Soldi等人［16－17］收集了3C273长期多波段的历史观测数据，并建立了多波段观测数据库，为人们研究3C273的多波段辐射特性和理论模型提供了一个很好的平台。Mao＆Liu等人［18－19］研究了类星体3C273在射电、光学波段的变化特征，发现3C273在射电、光学波段都存在周期性光变特性。

为了进一步研究类星体3C273的多波段光变特性，本文从大量文献中收集了3C273在射电、毫米、红外、光学、紫外、高能波段的长期观测数据，用Jurkevich方法和离散相关函数方法分析了天体多波段的变化周期，获得了各波段的光变周期。

1 观测数据和光变曲线

1.1 观测数据

为了研究类星体3C273多波段电磁辐射的变化特征，本文从 Türler＆Soldi等人［16－17］建立的3C273数据库中收集了射电、毫米、红外、光学、紫外和高能波段的长期观测数据，数据库网址为http://isdc.unige.ch/3c273/。在选择数据时，遵循观测数据点丰富、观测时间跨度较长、观测时间分布均匀的原则，选取了7个具有代表性的电磁波段作为研究对象，分别是射电8 GHz、37 GHz波段、3.3 mm波段、红外K波段(2.2μm)、光学B波段(421.3 nm)、紫外波段(300nm)和高能5 keV波段，观测数据的时间跨度从27年至43年不等，数据点最多的1 588个，最少的220个。7个波段观测数据的基本情况统计如表1。

表1 3C273 7个波段观测数据统计表Table 1 The statistics of the data of 3C273 for seven bands

1.2 光变曲线

根据收集到的各波段长期历史观测数据，作出3C273各波段的光变曲线，如图1。在图1中，横坐标是儒略日(JD)，单位是天(days)，纵坐标是辐射流量密度，单位为Jy。从图1可以看出，类星体3C273活动非常剧烈，在各个波段都表现出大幅度的光变现象，其中毫米3.3 mm波段变化幅度达56.1 Jy，变化幅度是平均值的2.6倍，紫外波段变化幅度是平均值的3.7倍，射电5 GHz波段变化幅度是平均值的1.84倍，由此可知，多波段的大幅度光变是3C273的一个显著特征。从光变曲线可以看出，7个波段的光变曲线都表现出周期性的变化特征，可能存在几年至十几年不等的光变周期。为了能准确寻找3C273 7个波段的变化周期，需要用专门的周期分析方法对其进行研究，本文主要采用Jurkevich和离散相关函数两种周期分析方法。

2 光变周期分析

2.1 Jurkevich 方法

在天文研究中，用于分析天体光变周期的方法很多，常用的有功率谱方法、离散相关函数、Jurkevich方法、结构函数、小波分析、周期图谱分析等多种方法［20－25］。因天文观测的特殊性，经常受到天气、天象、望远镜工作状态等多种因素的影响，天文观测数据经常会出现一些不连续、有间隔的情况，这给寻找天体的准确光变周期带来了一些困难［20］。尽管周期分析的方法有很多种，但每一种周期分析方法在某些方面有自己的优点，而在其他方面也存在一些不足之处。目前，常用的周期分析方法有Jurkevich方法、小波分析方法和功率谱方法等，而Jurkevich方法是目前公认的比较适合计算天体光变周期的方法之一［25］。

图1 3C273 7个波段的光变曲线Fig.1 The light curves of seven bands of 3C273

Jurkevich方法是由Jurkevich I.在1971年针对天文观测中非均匀性观测的问题提出的，它是基于均方偏差为期望值的统计分析方法，Jurkevich方法的原理见文献［26－27］。Kidger等人［28］在Jurkevich的基础上发展了Jurkevich周期分析方法，并给出了判断周期的方法，即f检验方法，周期判据公式为:

用Jurkevich方法分别计算了3C273在射电、毫米、红外、光学、紫外和高能等7个波段的光变周期，获得3C273 7个波段的总方差与试验周期P的值。根据计算结果绘制出总方差与试验周期P的关系图，结果如图2。

用以上同样的分析方法，可以得出各波段可能存在的变化周期。各波段周期计算结果为:在射电37 GHz波段可能存在约8.25年的变化周期;在毫米波段可能存在4.42和8.49年的变化周期;在红外K波段可能存在2.29和4.58年的变化周期;在光学B波段可能存在1.82、2.74、3.87和11.28年的变化周期;在紫外波段可能存在2.05、8.72和10.92年的变化周期;在高能5 keV波段可能存在0.98、1.98、3.86和4.97年的变化周期。7个波段的周期计算结果见表2中的第2列。

图2 3C273 7个波段的总方差和试验周期P关系图Fig.2 The plots of vs.P(trial Period)for the 3C273 light curves in seven bands

2.2 离散相关函数方法

离散相关函数方法是由Edelson等人［29］首次引入用于研究具有时延的时间序列的相关性分析，此后，很多学者［9，12，30］用此方法研究天体多波段观测数据之间的时间延迟问题。离散相关函数方法除了可以用于研究时延外，还可以用于研究具有单一时间序列观测数据的变化周期，即用离散相关函数方法可以计算天体的光变周期，离散相关函数方法的原理可以参见文献［3，29，31］。为了进一步验证3C273的多波段变化周期，本文用离散相关函数方法分析了3C273 7个波段的光变周期，计算结果如图3，图中横坐标是时延，单位是天(days)，纵坐标是离散相关函数值，图中离散相关函数峰值对应的时延就是可能存在的变化周期，根据离散相关函数的峰值可以估算天体各波段的变化周期。

根据图3中各波段的离散相关函数图，得到各波段可能存在的周期结果为:在射电8 GHz波段可能存在8.65年的变化周期;在射电37 GHz波段可能存在7.92年的变化周期;在3.3 mm波段可能存在4.87和8.52年的变化周期;在红外K波段可能存在2.25和4.65年的变化周期;在光学B波段可能存在1.57、2.85、4.62 和11.38 年的变化周期; 在紫外波段可能存在 1.82、8.21 和10.83 年的变化周期;在高能5 keV波段可能存在0.95、2.00、3.98和4.91年的变化周期。7个波段的变化周期结果见表2中第3列。

2.3 两种方法的周期计算结果

用Jurkevich方法、离散相关函数方法计算3C273 7个波段的光变周期结果见表2。从表2的计算结果可以看出，类星体3C273在选取的7个波段都表现出很强的周期性变化特征，存在从0.98年至11.38年不等的变化周期，在毫米、红外、光学、紫外和高能波段还存在多个周期成分。另外，通过对比Jurkevich方法、离散相关函数方法得到的结果可以看出，两种方法计算7个波段得到的变化周期结果非常一致，即两种方法计算的结果是非常可靠的。

图3 用离散相关函数方法计算3C273 7个波段的光变周期图Fig.3 The DCF plots of the light curves of 3C273

表2 Jurkevich方法和离散相关函数方法计算光变周期的结果Table2 The results of light-variation periods of 3C273 from Jurkevich’s method and the DCF method

3 结论和讨论

根据上述两种周期分析方法的结果可以看出，类星体3C273在所有电磁波段上均表现出周期性的变化特征。综合两种周期分析方法的计算结果，各波段的周期计算结果如下:

在射电8 GHz和37 GHz波段，分别存在8.39年和8.08年的变化周期。该结果与Zhang等人［32］用小波分析方法计算射电15 GHz波段得到8.10年的结果，以及Fan等人［33］用功率谱方法计算4.8 GHz、8 GHz和14.5 GHz得到8.8年、8.3年和8.2年的周期非常相近。这进一步说明了本文所用Jurkevich方法和离散相关函数方法计算得到的周期结果是可靠的，同时证明了3C273在射电波段存在8.0年左右的固有周期成分。在毫米波段存在4.65年和8.50年的两个变化周期，其中8.49年的周期近似是4.42年周期的倍数，因此在毫米波段可能存在4.65年的固有周期成分。

在红外波段存在2.27年和4.62年的变化周期，从数值上看4.62年近似是2.27年的倍数，因此在红外波段可能存在2.0年的固有周期成分。在光学波段存在1.69、2.79、4.24和11.33年4个不同的周期成分，这些周期成分与Fan等人［9］和Wang等人［12］得到的结果基本一致，综合分析现有的周期计算结果，在光学波段3C273可能存在2.0、11.0年左右的固有周期成分。在紫外波段存在1.93、8.46和10.87年的变化周期，紫外波段的变化周期与光学波段的变化周期基本一致，可能存在2.0、11.0年左右的固有周期成分。在高能5 keV波段发现了0.97、1.99、3.82和4.94年的4个周期成分，其中1.0年的周期成分可能是高能波段的固有周期成分。

综合上述的分析，可得出以下几点结论:(1)3C273在所研究的电磁波段范围内辐射流量都表现出周期性变化的特征，变化周期从0.98至11.38年不等，甚至可能还存在更长的变化周期;(2)用Jurkevich方法、离散相关函数方法计算3C273 7个波段的变化周期得到的结果非常一致，说明两种方法得到的周期结果是可靠的;(3)从周期分析结果可以看出，3C273在射电和毫米波段可能存在8.0年左右的固有周期成分，在红外、光学和紫外波段可能存在2.0年和11.0年左右的固有周期成分，在高能波段可能存在1.0年左右的固有周期成分。

根据以上结论，类星体3C273在射电、毫米、红外、光学、紫外和高能波段存在不同的光变周期成分，这说明了引起不同波段光变的内部物理机制可能不同，不同的辐射波段可能来自不同的辐射区域。在射电和毫米波段存在非常相似的光变周期特征，这说明两个波段的光变现象起源于相同的物理机制。Soldi＆Türler等人［17，34］的研究结果认为类星体3C273在射电和毫米波段的光变现象来自于沿着喷流方向传播的激波同步加速频闪，本文的研究结果进一步支持了Türler等人的研究结果，即引起射电和毫米波段光变的原因是来自沿着喷流方向加速传播的激波不稳定造成的。在光学、红外和紫外波段存在相同的光变周期成分，说明在这些波段可能有相同的辐射机制。Soldi等人［17］认为光学波段的辐射来自于喷流中相对论电子的同步加速辐射，而高能X射线辐射可能来自于同步加速辐射产生的高能电子与光子碰撞形成的同步自康普顿散射，或者也可能是来自喷流外部的高能电子与光子碰撞形成的外康普顿散射。引起类星体光变的原因很多，包括天体的内部因素和外部因素，本文的研究结果表明，引起天体光变的原因可能来自天体的内部机制，即用激波加速模型(shock-in-jet模型)能较好地解释引起3C273多波段光变的原因。

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