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Modern Physics
Vol.07 No.04(2017), Article ID:20869,8 pages
10.12677/MP.2017.74009

Light Variation Analysis of Mini-BAL in the SDSS J024304.68+000005.4 Spectrum

Weirong Huang1, Caijuan Pan2, Hongyan Huang2, Meimei Lu2

1School of Physics & Electronic Engineering, Guang Zhou University, Guangzhou Guangdong

2School of Materials Science and Engineering, Baise University, Baise Guangxi

Received: May 19th, 2017; accepted: Jun. 3rd, 2017; published: Jun. 6th, 2017

ABSTRACT

We found a mini-BAL between 4542 Å - 4598 Å (in the observation frame) in the spectra of Quasar J024304.68+000005.4. This mini-BAL can be fitted very well using five Gaussian functions, which contains a pair of intrinsic CIVλλ1548,1551 narrow absorption doubles. The CIV absorbing material is at a red-shift of 1.942, and its relative velocity is 6750 km/s. In the timescale of 3629 MJD, the variation trends of the equivalent width of this mini-BAL are accordant with the CIVλλ1548,1551 narrow lines. For the five narrow Gaussian of the mini-BAL, we found that the smaller is the minimum of equivalent width of the Gaussian component, the greater is its variability amplitude. Our results provide useful data for the study of the origins of mini-BAL and of outflow absorption lines.

Keywords:Quasar Spectrum, Absorption Line, Variation

类星体SDSS J024304.68+000005.4光谱Mini-BAL光变分析

黄伟荣1，潘彩娟2，黄红艳2，陆美美2

1广州大学物理与电子工程学院，广东 广州

2百色学院材料科学与工程学院，广西 百色

收稿日期：2017年5月19日；录用日期：2017年6月3日；发布日期：2017年6月6日

摘 要

类星体J024304.68+000005.4在观测坐标系4542 Å~4598 Å出现一个mini-BAL，可以被5个高斯很好地拟合，其中包含一对内禀的CIVλλ1548,1551窄吸收线。CIV吸收体红移为1.942，与发射体的相对速度大小为6750 km/s。在3629个MJD内，mini-BAL等值宽度的变化趋势与其中的CIVλλ1548,1551窄线的等值宽度的变化趋势一致。对mini-BAL内5个窄高斯进行分析，发现等值宽度最小值越大的高斯成分，其光变幅度就越大。本文的研究结果可为mini-BAL起源和外流吸收线的变化原因的研究工作提供有益的数据参考。

关键词 :类星体光谱，内禀吸收线，光变

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

在当今的大数据时代，斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)为我们带来了极为庞大的光谱数据，其中类星体光谱就达到几十万个 [1] 。类星体(QSO, Quasar)是活动星系核(AGN)的一种，它距离我们极为遥远并且光度异常大。AGN按其不同的观测特征可分为不同的类型，根据目前大家普遍接受的AGN统一模型 [2] [3] ，不同的观测特征是由于星系核心与观测者之间有不同的朝向，ANG的主要结构为：1) 超大质量黑洞(SMBH)，类星体的中心就是超大质量的黑洞，质量约为1016~1010个太阳的质量；2) 吸积盘(AD)，围绕着超大质量黑洞旋转的最内层物质为吸积盘；3) 宽线区(BLR)：吸积盘往外就是宽线区，由许多高温云团所组成；4) 尘埃环(TOUR)，宽线区往外则为尘埃环，由尘埃和气体组成的环状物质；5) 窄线区(NLR)，位于尘埃环以外，由密度较小的气体云团组成；6) 喷流(jet)，并不是所有的AGN都可以观测到喷流，尺度较大，约为10 kpc，甚至可达到1 Mpc。

类星体距离我们极为遥远，其光谱往往存在较多的吸收线。吸收线的产生是因为在我们视线方向上的吸收气体对于背景光源有吸收。类星体吸收线可分为内禀吸收和插入吸收两类。内禀吸收与类星体有着直接的物理联系 [4] [5] [6] ，而且更为复杂，其吸收线红移近似等于发射线红移，即Zabs ≈ Zem，红移的差别主要由于吸收体与类星体之间有相对运动；插入吸收与类星体没有直接的物理联系 [7] ，其吸收线红移显著小于发射线的红移，即，红移的差别是由于吸收体和类星体处于不同的宇宙位置。

内禀吸收线的变化是研究类星体的一个重要手段。吸收线按其谱线展宽的大小来分类，可分为窄收线(NAL)和宽吸收线(BAL)。一般认为，线宽速度小于500 km/s为NAL，线宽速度500~2000 km/s为 mini-BAL (mini-broad absorption line)，线宽速度大于2000 km/s为BAL [8] [9] [10] 。其中，mini-BAL和BAL普遍认为是内禀吸收线。BAL具有较大的线宽速度，通常认为其来自类星体核心区域的外流风对宽线区(BLR)发射物质的吸收 [11] ，当视线方向的光线通过吸积盘附近快速而密集的风时，会引起BAL的吸收；当视线所看到的是吸积盘的边缘较低密度的风时，则会引起mini-BAL的吸收。NAL、BAL、mini-BAL也可能描述的是外流的流出现象，而其所具有的不同特点可能是它们正处于某个时期的演变阶段 [12] 。

研究表明：NAL和mini-BAL比BAL更容易光变。在一定的光变时标下，约50%的mini-BAL显示出明显地变化 [8] ，mini-BAL会成更强吸收的BAL，也可能变弱，甚至是完全消失；但也可能变得更强，甚至变为BAL。大约57%的mini-BAL变为更强的BAL，mini-BAL可能只是演变过程中的一个阶段 [13] 。在光学观测的类星体中，观察到具有BAL特征的占15% [14] ，同时观察到NAL和mini-BAL特征的占12%~30% [9] 。

目前，多数研究集中在mini-BAL如何变成更强的BAL，而较少研究mini-BAL与窄吸收线的变化。基于这点，本文重点研究不同观测间下mini-BAL与NAL的变化关系。在文献 [12] 证认的52个具有CIVλλ1548,1551窄吸收线变化的源中，不少源的光谱中出现有mini-BAL，我们从中挑选出一个具有mini-BAL的源作为研究对象。这个源SDSS J024304.68+000005.4比较有趣 [12] ，不仅CIVλλ1548,1551窄吸收线落在mini-BAL的蓝端，而且mini-BAL还显示出多根窄吸收线的轮廓，我们认为该源的mini-BAL很可能是由多根窄线混合而成的。

下文将给出该mini-BAL的拟合数据，和光变分析结果。

2. 样本

从2000年10月4日~2010年9月11日SDSS(Sloan Digital Sky Survey)的望远镜对类星体J024304.68+000005.4进行了6次光学光谱的重复观测(http://www.sdss.org/dr12/)，其中前4次(2000年10月4日、2000年11月23日、2001年9月25日、2001年10月17日)为SDSS第一或第二巡天阶段(SDSS-I/II，2000年~2008年)的观测，后2次(2010年2月20日、2010年9月11日)为BOSS(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, 2009年~2014年)的观测。这6次观测的光谱信噪比分别是14.59、13.87、14.12、12.70、29.08、30.11，BOSS光谱的信噪比相对于SDSS-I/II光谱的信噪比平均增强了约114%，因此，相比于SDSS的光谱，BOSS的光谱将能得到更可靠的分析结果。

3. 光谱分析

类星体SDSS J024304.68+000005.4在6次观测中，均在观测坐标系下4542 Å~4598 Å处出现一个较大的吸收坑，吸收坑的等值宽度约为23Å，其线宽速度约为1589 km/s，为mini-BAL。在前4次观测中，光谱的信噪比较低，此吸收坑的轮廓并没有展现出太多的细节。而在最后2次观测中，BOSS光谱的信噪比更高，吸收坑的已表现出较为清晰的窄线混合轮廓。其中第5次观测(2010年2月20日)，坑内清晰显现4个向下的尖峰，并且尖峰的起伏幅度明显大于连续谱噪音的振动幅度大，因此我们假设这个mini-BAL由5根窄吸收线混合而成。通过证认，这5根窄吸收线依次为CIVλ1548、CIVλ1551、line3、line4、line5。类星体SDSS J024304.68+000005.4源6次观测的谱线名称、证认的窄吸收线的线芯等数据如表1所示。

3.1. mini-BAL的拟合

在第5次观测的光谱中，mini-BAL的蓝端显示出4个清晰的向下的尖峰，因此，我们用5个高斯函数拟合这个mini-BAL，其中4个高斯的线芯由这4个尖峰的位置确定，而最后一个高斯则为mini-BAL红端的剩余部分。通过固定4个高斯的线芯和改变每个高斯的大小进行拟合，我们发现5个高斯同时拟合的结果与mini-BAL的轮廓符合得很好。由于限定了4个高斯的线芯位置，宽坑内的高斯并非可以通过随意的组合来拟合，因此该拟合结果具有较高的可信度。因此，我们认为该mini-BAL是由5根窄吸收线混合而成。

用同样的方法拟合其它5次观测的光谱，这些mini-BAL都拟合得较好，拟合结果如图1所示。

3.2. CIV窄吸收线

在类星体J024304.68+000005.4光谱mini-BAL轮廓的左侧可以证认出一对CIVλλ1548,1551吸收线，其吸收线红移是1.944。用我们的方法证认得到的CIVλλ1548,1551窄吸收线与文献 [12] 的证认结果是一致的。但是，我们认为该mini-BAL是由多根窄吸收线混杂而形成的，因此分析CIVλλ1548,1551吸收线时

Table 1. The parameters of mini-BAL for SDSS J024304.68+000005.4

表1. SDSS J024304.68+000005.4 的mini-BAL吸收线参数

注——Name：SDSS J024304.68+000005.4的6次观测的光谱名；λobs：观测坐标下拟合高斯的线芯；Nσ：信噪比；W：等值宽度。

需要扣除其他窄吸收线成分的影响，扣除其他3个高斯成分后(line3、line4、line5)，CIVλλ1548,1551的线心及等值宽度等数据如表1所示。

Figure 1. The spectra of the quasar SDSS J024304.68+000005.4 (zem = 2.009). The left four panels are the spectra of SDSS-I/II, the right two panels are the spectra of BOSS in the quasar observed frame. The green line is the pseudo-continuum, the blue lines are the 5 Gaussian functions fitting, the red line is the superposition of 5 Gaussian functions, the vertical dotted lines are CIVλλ1548,1551 absorption lines

图1. 类星体J024304.68+000005.4的红移zem = 2.009。从上到下依次是SDSS-I/II的4次观测光谱和BOSS的2次观测光谱。绿色实线是伪连续谱，蓝色实线是拟合的5个高斯，红色实线是5个高斯的叠加，垂直虚线为CIVλλ1548,1551双线的位置

Figure 2. The variation of the CIVλλ1548,1551 absorption doubles. The black diamond indicates the sum of the equivalent width of CIVλ1548 and CIVλ1551, the blue square indicates the sum of the equivalent width of line3, line4 and line5, and the red crossed indicates the mini-BAL. The ordinate is the logarithm of equivalent width; the abscissa is the Modified Julian Day

图2. CIVλλ1548,1551吸收双线的光变关系图。黑色菱形表示CIVλ1548与CIVλ1551等值宽度之和，蓝色正方形表示line3、line4、line5高斯的等值宽度之和，红色叉表示mini-BAL。纵坐标是等值宽度的对数；横坐标是MJD

从图2可以看出，在误差范围内，CIVλλ1548,1551的等值宽度在第1次至第4次的观测时间内(∆MJD = 378)基本保持不变。但从第4次到第6次的观测时间内(∆MJD = 3251)，等值宽度有明显的变化。在第4次到第五次的观测时间内(∆MJD = 3048)，CIVλ1548+CIVλ1551的等值宽度之和由大变小，这与文献 [12] 中CIVλλ1548,1551变弱的结论是一致的。但在第5次到第6次的观测时间内(∆MJD = 203)，CIVλ1548+CIVλ1551的等值宽度之和由小变大，而且变化的幅度也较大。

由图2中可以看出，在6次观测中，mini-BAL的等值宽度的变化趋势与CIVλ1548+CIVλ1551的等值宽度之和的变化是一致的。

3.3. 其它窄吸收线

类星体J024304.68+000005.4光谱中的mini-BAL除了CIVλλ1548,1551双吸收线外，还有3根未知的谱线，依次称为Line3、Line4、Line5，它们的等值宽度值如表1所示。根据下式计算5个高斯的等值宽度变化情况，其中是同一种谱线每次观测的等值宽度，是6次观测中等值宽度的最小值，分别表示各自的误差；表示等值宽度的变化量，变化的误差为。

下面图3是类星体SDSS J024304.68+000005.4光谱mini-BAL中拟合的5个高斯成分的等值宽度变化图，横坐标是每种谱线在6次观测中的最小值，纵坐标是每次的观测值与最小值的绝对差值。由图3

Figure 3. The variations of the equivalent width of the five Gaussian components that are used to fit the mini-BAL. Abscissa is the minimum value of the equivalent width among six observations of each Gaussian component, vertical is the difference of the equivalent width between each observation and the minimum value. Black diamonds represent the CIVλ1548 absorption lines, red triangles represent the CIVλ1551 absorption lines, purple squares represent line3, yellow cross represent line4, pink solid circular represent line5. The error bars are also showed in the figure

图3. mini-BAL中5个高斯成分等值宽度的变化情况。横坐标是每种高斯成分在6次观测中的等值宽度的最小值，纵坐标是每次观测的等值宽度与6次观测的最小值之间的差值。黑色菱形表示CIVλ1548吸收线，红色三角形表示CIVλ1551吸收线，紫色正方形表示Line3，黄色叉号表示Line4，红色实心圆表示 Line5。符号中的上下和左右线为误差棒

可以看出，等值宽度最小值越大的高斯成分，其光变幅度也越大。其中，Line5的等值宽度的最小是最小的，因此Line5在6次观测中变化的幅度也最小。Line4的等值宽度最小值最大，因此它在6次观测中变化的幅度也最大。

4. 结论

本文利用SDSS和BOSS对类星体SDSS J024304.68+000005.4的6次重复观测细致地研究了观测波长下4542 Å~4598 Å处的一个mini-BAL。mini-BAL的等值宽度约为23 Å，线宽速度约为1589 km/s。

1) 经过分析和拟合，发现该mini-BAL是由5根窄线混合组成的，其中有一对为CIVλλ1548,1551双吸收线。

2) 根据CIVλλ1548,1551每根线6次测量的线芯值，可算得其吸收线平均红移zCIV = 1.942 ± 0.001。由于该CIV双线红移很接近发射线红移，并且存在光变，因此认为它存在于类星体的核心区域，为内禀吸收线。该CIV吸收体与类星体处于相同的宇宙位置，两者的红移差是由于吸收体与类星体核心有相对运动所致(发射线红移zem = 2.009)。根据文献 [2] ，由下式可算出内禀吸收体与发射体之间的相对速度，约为|v| = 6750 km/s，其运动方向朝向观测者，因此该CIV吸收体以高速从类星体核心喷出。

上式中，v为吸收体与发射体之间的相对速度，zabs为吸收线的红移，zem为发射线的红移，c为光速。

3) 该mini-BAL有明显的光变，认为是内禀的，其光变规律是复杂的。在测量的误差范围内，第1次观测至第4次的观测时间内(∆MJD = 378), CIVλλ1548,1551的等值宽度基本保持不变。第4次观测到第5次的观测时间内，(∆MJD = 3048), CIVλλ1548,1551的等值宽度明显地变小，这与文献 [12] 的发现是一致的。但在第5次至第6次的观测时间内(∆MJD =203)，我们发现CIVλλ1548,1551的等值宽度明显地变大。

4) 导致吸收线等值宽度变化的原因主要有：吸收体与背景辐射之间的覆盖因子发生变化；吸收体本身的电离状态发生变化 [15] - [20] 。我们的研究表明，在6次观测中(∆MJD = 3629)，类星体J024304.68+000005.4光谱中CIVλλ1548,1551双线、mini-BAL和line3、line4、line5，这三者的等值宽度变化趋势基本一致。我们认为，等值宽度变化趋势基本一致的情况，可能暗示着各吸收体具有基本一致的变化状态，即吸收体与背景光源的覆盖面发生相同的改变；或者可能是因为背景辐射强度的变化而使得各吸收物质的电离程度发生相似的改变。

5) 对mini-BAL内5个窄高斯成分进行分析，发现等值宽度最小值越大的高斯成分，其光变幅度也越大。我们认为，吸收强度越大的吸收体越容易发生覆盖因子的改变，或者吸收强度越大的吸收体的电离状态越容易发生明显的改变。

基金项目

国家自然科学基金项目(11363001)资助；广西自然科学基金面上项目(2012GXNSFAA053015)资助。

文章引用

黄伟荣,潘彩娟,黄红艳,陆美美. 类星体SDSS J024304.68+000005.4光谱Mini-BAL光变分析
Light Variation Analysis of Mini-BAL in the SDSS J024304.68+000005.4 Spectrum[J]. 现代物理, 2017, 07(04): 77-84. http://dx.doi.org/10.12677/MP.2017.74009

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