通过偏振研究揭示BLAZARs PKS 2155?304和3C 454.3的X射线发射机制

《Journal of High Energy Astrophysics》：Clues on the X-ray emission mechanism of blazars PKS 2155?304 and 3C 454.3 through polarization studies

X射线偏振观测与多波段能量分布建模揭示高能成分的起源差异：PKS 2155?304显示显著偏振支持电子加速，而3C 454.3未检测到偏振符合逆康普顿起源。分层加速区模型得到验证。

　　在宇宙中，活跃星系核（AGN）是一类非常明亮的天体，其辐射亮度范围从10^42到10^48 erg s^-1，被认为是通过物质向超大质量黑洞（M_BH）的吸积过程获得能量的。这些黑洞位于星系的中心，质量通常在10^6到10^10个太阳质量之间。其中，blazars作为AGN的一个子类，其相对论性喷流与观测者的视线方向接近，使得它们在各个电磁波段都能产生强烈的辐射输出，从无线电波到TeV γ射线。blazars的辐射输出在不同波长上表现出显著的变异性，时间尺度可以从几分钟到几年不等。这种变异性不仅体现在辐射强度的变化上，还体现在偏振特性上，尤其是在可见光和X射线波段。可见光和X射线的偏振变化为理解blazars的辐射机制和喷流结构提供了重要的线索。

blazars可以进一步分为两种类型：具有强发射线的扁谱射电类星体（FSRQs）和没有或只有弱发射线的BL Lac对象（BL Lacs）。它们的宽带谱能分布（SED）呈现出双峰结构，低能部分由同步辐射机制主导，而高能部分则涉及更复杂的物理过程。同步辐射是当相对论性电子在喷流内的磁场中螺旋运动时产生的，通常在紫外线和X射线波段达到峰值。高能部分的峰值则在GeV到TeV的能量范围内，而其物理起源仍然存在争议。为了确定高能部分的起源，科学家提出了两种主要模型：电子主导的模型和粒子主导的模型。

在电子主导模型中，高能辐射主要来源于逆康普顿散射过程，其中喷流中的同步辐射电子通过散射自身的同步辐射光子（称为同步辐射自康普顿，SSC）或外部的光子场（称为外部康普顿，EC）产生高能光子。而在粒子主导模型中，高能辐射可能由相对论性质子的同步辐射或光子-介子级联过程产生。尽管粒子主导模型通常被认为需要更高的能量输入，因此不如电子主导模型普遍，但近年来一些观测结果表明，粒子主导过程可能在blazars的喷流中也存在。例如，IceCube合作组在TSX 0506+057中检测到与blazars相关的中微子，以及Sahakyan等人对其他几个blazars的研究，都为粒子主导模型提供了支持。

此外，不同粒子加速和辐射机制会导致喷流中不同波长的偏振特性存在差异。因此，多波段偏振观测成为研究blazars辐射机制和喷流结构的重要工具。同步辐射和逆康普顿过程在不同能量区域的分布，使得对LSP和HSP blazars的X射线偏振进行比较分析，能够为确定X射线辐射的起源提供关键信息。例如，LSP blazars的X射线偏振可能支持质子同步辐射模型，而HSP blazars的X射线偏振则可能更符合电子主导的逆康普顿模型。

在本研究中，我们使用了Imaging X-ray Polarimetry Explorer（IXPE）的数据，对HSP blazar PKS 2155?304和LSP blazar 3C 454.3进行了X射线偏振观测和宽带SED建模。通过模型无关的分析，我们发现PKS 2155?304在2?8 keV波段的X射线偏振角度为130 ± 2.5度，偏振度为20.9 ± 1.8%。这些结果与光谱偏振分析的结果一致，进一步支持了电子主导的逆康普顿模型。而在2023年6月的观测中，我们没有在3C 454.3中检测到X射线偏振，这可能是由于其X射线辐射来源于逆康普顿过程，而同步辐射过程在该观测中未被激活。

为了更深入地理解X射线偏振的变化，我们将数据划分为更细的时间区间，以便获得更详细的偏振变化信息。同时，我们使用了与IXPE观测几乎同时获得的光数据，包括来自Swift-XRT的X射线、来自Swift-UVOT和AstroSat-UVIT的紫外线和光学数据，以及来自Fermi的γ射线数据，对这两个blazars的宽带SED进行了建模。通过SED建模，我们发现PKS 2155?304的X射线辐射位于其SED的高能尾部，而3C 454.3的X射线辐射则位于其SED的逆康普顿部分的上升阶段。这些结果表明，X射线辐射的起源可能与喷流中的电子加速过程有关，而非质子主导的机制。

通过X射线偏振观测和SED建模，我们倾向于支持电子主导的模型。这不仅为理解blazars的辐射机制提供了新的视角，还为研究喷流的结构和物理条件提供了额外的约束。我们的研究结果表明，在blazars的喷流中，X射线辐射可能来源于靠近激波前沿的紧凑加速区域，而较低能量的光学辐射则可能在更广泛、更湍流的区域产生。这些发现进一步支持了喷流结构模型，其中X射线辐射的产生与电子加速区域密切相关。

在研究过程中，我们采用了多种方法和技术来确保数据的准确性和可靠性。对于X射线偏振观测，我们使用了PCUBE方法和xpbin任务来分析PKS 2155?304和3C 454.3的偏振信号。通过这种方法，我们能够提取出最小可检测偏振（MDP）、偏振角度（Ψ_X）和偏振度（Π_X）等关键参数，并计算出相应的误差。我们还利用了Stokes参数Q和U来计算Ψ_X和Π_X，这些参数能够提供关于辐射偏振状态的重要信息。

此外，我们对数据进行了详细的处理和分析，以确保结果的科学性和有效性。对于SED建模，我们结合了来自不同波段的数据，包括光学、紫外线、X射线和γ射线，以构建更全面的谱能分布。通过这种方法，我们能够更准确地确定不同能量区域的辐射机制，并为喷流的物理条件提供更具体的约束。这些结果不仅有助于理解blazars的辐射机制，还可能为其他类似天体的研究提供参考。

在总结部分，我们对研究结果进行了归纳和分析。通过X射线偏振观测和SED建模，我们发现PKS 2155?304的X射线辐射更符合电子主导的逆康普顿模型，而3C 454.3的X射线辐射则可能与逆康普顿过程有关。这些发现不仅为理解blazars的辐射机制提供了新的视角，还为研究喷流的结构和物理条件提供了重要的线索。此外，我们的研究结果表明，在blazars的喷流中，X射线辐射可能来源于靠近激波前沿的紧凑加速区域，而较低能量的光学辐射则可能在更广泛、更湍流的区域产生。这些发现进一步支持了喷流结构模型，其中X射线辐射的产生与电子加速区域密切相关。

通过本研究，我们不仅对两个blazars的X射线偏振和SED进行了分析，还为理解blazars的辐射机制提供了新的证据。这些证据表明，电子主导的模型在解释X射线辐射的起源方面具有优势，而粒子主导的模型可能在某些情况下也存在。因此，未来的研究需要结合更多的观测数据，以进一步验证和区分这些模型。同时，我们也认识到，不同观测条件和数据处理方法可能会对结果产生影响，因此需要在研究中进行充分的讨论和分析。

总的来说，本研究通过对PKS 2155?304和3C 454.3的X射线偏振观测和SED建模，揭示了blazars辐射机制的一些关键信息。这些信息不仅有助于理解blazars的物理特性，还可能为其他类似天体的研究提供参考。我们的研究结果表明，X射线辐射的起源可能与喷流中的电子加速区域密切相关，而不同能量区域的辐射机制可能存在差异。因此，未来的观测和研究需要进一步关注这些差异，并探索可能的物理机制。此外，我们还强调了多波段偏振观测在研究blazars辐射机制中的重要性，以及结合不同数据源进行SED建模的必要性。这些研究方法和技术的应用，将有助于更全面地理解blazars的物理特性和辐射机制。