[论文解读] The Optical Properties of PKS 1222+216 During the Fermi Mission

Paul S. Smith, Gary D. Schmidt+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究分析了费米任务期间红移 z=0.435 类星体 PKS 1222+216 的光学特性，揭示其具有双组分光学谱：一个可变的、具有偏振的同步辐射连续谱，来自相对论喷流；以及一个稳定的、无偏振的类类星体成分。尽管存在强烈的 γ 射线和光学耀发，但未发现 γ 射线与光学活动之间的相关性，表明喷流的非热辐射产生于宽线区下游数个秒差距处，与发射线气体解耦。

ABSTRACT

The optical properties of the z = 0.435 quasar PKS 1222+216 (4C+21.35) are summarized since the discovery of impressive gamma-ray activity in this source by Fermi/LAT. Unlike several other gamma-ray-bright blazars, there appears to be little connection between optical and gamma-ray activity. Spectropolarimetry shows this object to be a composite system with optical emission from both a polarized, variable synchrotron power-law and unpolarized light from a stable blue continuum source (+broad emission-line region) contributing to the observed spectrum. Spectrophotometry over a period of about two years does not detect significant variability in the strong, broad emission lines, despite large optical continuum variations. This suggests that the relativistic jet has little influence on the output of the broad emission-line region, possibly either because the highly beamed continuum ionizes only a small portion of the line-emitting gas, or the observed non-thermal continuum originates parsecs downstream from the base of the jet, further away from the central engine than the broad emission-line region.

研究动机与目标

• 理解费米任务期间 PKS 1222+216 的光学行为，特别是其光学与 γ 射线耀发之间缺乏相关性的原因。
• 确定光学辐射的起源与性质，尤其是喷流与吸积驱动类星体组分的作用。
• 在光学连续谱变化剧烈但发射线无变化的情况下，研究喷流非热辐射与宽线区之间的物理关联。
• 通过建模光学能谱分布与偏振特性，分离喷流与基底类星体的贡献。
• 评估这些发现对 γ 射线明亮耀变体中喷流形成与辐射机制的启示，特别是基于近期检测到 TeV 辐射的背景。

提出的方法

• 利用斯图尔德天文台的 2.3 米 Bok 望远镜与 1.54 米 Kuiper 望远镜，对 PKS 1222+216 进行了长期的谱偏振与谱测光监测。
• 在约 2 年的时间内测量了光学流量、偏振度 (P) 与位置角 (θ)，并同步获取费米/LAT 的 γ 射线数据。
• 采用双组分模型：一个可变的、具有偏振的幂律同步辐射组分（P₀ ~ 15%）与一个稳定的、无偏振的类类星体连续谱组分，包含宽发射线。
• 通过从观测偏振中减去无偏振流量，估算出真实偏振度 (P₀)，其值最高可达 ~20%。
• 利用谱拟合分析偏振与流量的波长依赖性，表明 P 随短波长减小是由于蓝色类类星体组分的稀释作用。
• 分析光学亮度、颜色与偏振之间的相关性，以推断喷流的物理几何结构与辐射位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 PKS 1222+216 中未观测到光学与 γ 射线耀发之间的相关性，而其他 γ 射线明亮耀变体中存在这种相关性？
• RQ2 光学偏振的来源是什么？它与喷流辐射机制有何关联？
• RQ3 为何在光学连续谱发生剧烈变化的情况下，PKS 1222+216 的宽线仍保持通量恒定？
• RQ4 喷流中的非热辐射相对于宽线区与中心引擎位于何处产生？
• RQ5 双组分模型（喷流 + 类类星体）能否解释观测到的光学谱与偏振相关性？

主要发现

• PKS 1222+216 的光学谱最符合一个可变的、具有偏振的同步辐射幂律（α ~ -1.3）与一个稳定的、无偏振的类类星体组分（含强宽 MgII 与巴尔默线）的叠加。
• 喷流组分的真实偏振度（P₀）约为 ~15%，最高可达 ~20%，表明喷流中磁场具有强对齐。
• 尽管光学连续谱发生显著变化（变化幅度达约 2 倍），Hβ 与 Hγ 发射线的通量在 ~2 年内保持恒定，其等效宽度与连续谱亮度呈反比变化。
• 偏振度（P）随波长减小是由于蓝色、无偏振的类类星体组分的稀释作用，其视 V 星等约为 ~16.2。
• 即使在 12 小时内的同步观测中，也未发现 γ 射线通量与光学通量、偏振度或偏振位置角之间存在显著相关性。
• 发射线无变化表明，喷流的束状连续谱仅电离了宽线区气体的一小部分，或其非热辐射产生于中心引擎下游数个秒差距处，位于宽线区之外。