综述：耀变体在整个电磁波谱中的变异性

《ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS REVIEW》：The variability of blazars throughout the electromagnetic spectrum

这篇由Claudia M. Raiteri撰写的综述系统性地阐述了耀变体（Blazar）在电磁波谱各波段的流量、光谱和偏振变异性。文章深入探讨了其变异的物理机制，包括喷流内禀过程（如激波、磁重联）和几何效应（如多普勒聚束、喷流进动），并强调了多波段（从射电到甚高能γ射线）联合监测与偏振测量（特别是IXPE卫星的新发现）对于揭示喷流结构、粒子加速及高能中微子起源等关键问题的重要性。

　　

引言

耀变体是一类具有指向地球的相对论性喷流的活动星系核（AGN）。由于其喷流指向的特殊几何位置，其辐射受到强烈的多普勒聚束效应增强，表现为高亮度、蓝移和缩短的变异时标。耀变体的宽波段光谱能量分布（SED）通常呈现双峰结构，低能峰归因于相对论电子的同步辐射，高能峰的起源则存在轻子（逆康普顿散射）和强子模型的争议。

时间序列分析

耀变体的光变曲线通常表现为“红噪声”。用于表征变异性的方法包括过量方差、分数变率（F_var）等。寻找特征时标和周期性则常用结构函数（SF）、自相关函数（ACF）和功率谱密度（PSD）。离散相关函数（DCF）是分析多波段光变曲线相关性和时延的重要工具。流量分布的研究（如对数正态分布）有助于理解变异背后的物理过程（如叠加过程或乘法过程）。

耀变体的多波段行为

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  射电波段： 变异通常平滑，不同频率的耀发存在时延，归因于同步辐射自吸收效应，表明辐射来自喷流较外层区域。
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  光学/红外/紫外波段： 变异剧烈，存在“光学剧变类星体”（OVV）。光谱常呈现“越亮越蓝”趋势，短时标变异可能与粒子加速有关，而长时标变异可能源于几何效应。在平谱射电类星体（FSRQ）中，“大蓝包”的热辐射贡献可能导致“越亮越红”。
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  X射线和γ射线波段： 变异行为与耀变体类型密切相关。在高同步峰（HSP）耀变体中，X射线和甚高能（TeV）γ射线辐射来自同步辐射和同步自康普顿（SSC）过程，变异强烈且相关。在低同步峰（LSP）耀变体中，X射线和GeV γ射线可能源于外部逆康普顿（EC）过程，与光学波段变异的相关性复杂，有时会出现“孤儿耀斑”（高能耀斑无低能对应体）或“无菌耀斑”（低能耀斑无高能对应体）。

甚快变异性

在分钟到小时量级的微变异性对发射区大小提出了严格限制，要求发射区尺寸远小于典型喷流尺度，这支持了喷流由多个子区或细丝组成的模型。

光谱变异性

SED的形状会发生变化。HSP耀变体（如Mkn 421, Mkn 501）在活动期间表现出同步辐射峰频率的剧烈移动和“越硬越亮”的谱行为。

与中微子发射相关的变异性特征

耀变体喷流被认为是高能天体物理中微子的潜在来源。一些中微子事件（如IC-170922A与TXS 0506+056的关联）表明某些耀变体在特定活动期间可能产生中微子，但其在多波段光变中的确切特征仍不明确，强子过程可能在其中扮演角色。

耀变体变异的解释

变异机制可分为内禀和外在几何效应。

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  粒子加速机制： 包括喷流中传播的激波、磁重联和湍流。
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  喷流结构与运动： 甚长基线干涉（VLBI）观测显示喷流存在弯曲、螺旋结构甚至细丝状结构（如M87, 3C 279）。相对论磁流体动力学（RMHD）模拟支持喷流中存在扭曲和不稳定性。
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  几何模型： 喷流的旋转、进动或扭曲会导致多普勒因子的变化，从而引起流量和偏振的变异。扭曲喷流模型成功解释了某些源（如CTA 102, BL Lacertae）的长期多波段光变行为。
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  周期性行为： 在一些耀变体（如OJ 287, PG 1553+113）中观测到的（准）周期性光变，可能与大质量双黑洞（BBHS）的轨道运动、喷流进动或盘的不稳定性有关。

偏振行为

偏振是研究喷流磁场结构和行为的重要探针。

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  光学/射电偏振： 偏振度和电场矢量位置角（EVPA）均表现出快速且剧烈的变化。EVPA的大幅度旋转可能由确定性过程（如激波在有序磁场中传播）或随机过程（如湍流）引起。
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  IXPE的新结果： X射线偏振测量带来了新的见解。在HSP耀变体中，X射线偏振度通常远高于光学波段，支持了能量分层激波加速模型。在LSP耀变体中，X射线偏振度较低，支持逆康普顿散射是其主要辐射机制。

结论

尽管经过数十年研究，耀变体仍存在许多悬而未决的问题，包括：精确的粒子加速机制、高能辐射（及中微子）的起源、喷流精细结构、几何效应与内禀过程对变异性的相对贡献、以及可靠（准）周期性的探测与解释等。未来的多波段、高时域分辨率监测，特别是偏振测量（如IXPE）和大型时域巡天（如Rubin-LSST），将继续深化我们对这些宇宙极端天体的理解。