Mrk 421中的光谱状态切换：来自AstroSat LAXPC/SXT观测的结果

《Journal of High Energy Astrophysics》：Spectral State Switching in Mrk 421: Results from the AstroSat LAXPC/SXT Observations

　　**Sikandar Akbar | Zahir Shah | Ranjeev Misra | Naseer Iqbal**
**克什米尔大学物理系，斯利那加 190006，印度**

**摘要**
我们利用LAXPC20和SXT的同时观测，对高同步辐射峰值的类星体Mrk 421进行了详细的时间和通量分辨X射线光谱分析。2017年1月3日至8日期间获得的100秒分箱的LAXPC20光变曲线显示出明显的通量变化。该源在SXT波段的分数变化幅度为Frms=0.210±0.005，在LAXPC20波段的分数变化幅度为Frms=0.316±0.006。在此期间，源的LAXPC20计数率峰值达到122.94计数/秒，而SXT光变曲线的峰值计数率为26.79计数/秒。这使我们能够通过将100秒分箱的LAXPC20光变曲线分为十个通量状态（S1–S10，每个状态宽度为8计数/秒）来进行通量分辨光谱分析。对于每个通量状态，我们提取了同时的SXT和LAXPC20光谱并进行了联合拟合。我们发现这些状态的光谱可以很好地用同步辐射卷积的断裂幂律模型描述，该模型的拟合效果优于对数抛物线模型。低能粒子指数（断裂之前的指数）在各个通量状态下聚集在两个离散值附近，表明源具有两种光谱状态。在这些状态下，断裂能量随着通量水平的增加而向高能量移动。时间分辨光谱分析（10-ks段）证实通量直方图最适合用双对数正态分布来建模，指数直方图也是双正态的。包括2017-2019年的两个额外长时间观测结果也显示了相同的双状态行为。总体而言，这些结果表明Mrk 421通常具有两种主导光谱状态；在轻子同步辐射框架中，这可以通过加速条件的高斯波动来解释，从而产生对数正态通量状态。

**引言**
类星体在整个电磁频谱上表现出强烈且随机的通量变化，时间尺度从几分钟到几年不等（Bhatta和Dhital, 2020; Bhatta等人, 2016; Ulrich等人, 1997）。研究这种变化的统计特性可以为我们提供关于其潜在发射过程的关键见解。长期通量分布的形式特别具有信息性：正态分布通常表示加性和线性随机变化，而对数正态分布则反映了非线性的、乘法过程。这种行为已在多个天体物理系统中被观察到，包括X射线双星系统、伽马射线暴和活动星系核（AGNs）（Giebels和Degrange, 2009; Lyubarskii, 1997; Negoro和Mineshige, 2002; Quilligan等人, 2002; Shah等人, 2018, Shah等人, 2020; Uttley和McHardy, 2001）。在AGNs中观察到的变化发生在几分钟到几天的时间尺度上（Gaskell, 2004），而在X射线双星系统中则发生在亚秒时间尺度上。这些源的发射来自吸积盘，因此在这些源中观察到对数正态通量变化意味着潜在的物理过程是乘法性质的。在类星体中首次检测到对数正态通量分布是在BL Lacertae（Giebels和Degrange, 2009），这暗示了吸积驱动的波动与喷流发射之间可能存在联系。随后对PKS 2155-304和Mrk 501等类星体的观测也确认了在X射线和极高能（VHE; > 100 GeV）伽马射线波段中的类似模式（Aharonian等人, 2009; Chevalier等人, 2019; H. E. S. S. Collaboration等人, 2010; Romoli等人, 2018; Tluczykont等人, 2010）。长期的Fermi-LAT观测也在几个明亮的类星体中发现了对数正态伽马射线通量分布，包括VHE源1ES 1011+496（Shah等人, 2018; Sinha等人, 2017）。在某些源中，双对数正态或复合分布提供了更好的拟合，表明喷流内部存在多个发射状态或区域（Khatoon等人, 2020; Kushwaha等人, 2016a, Kushwaha等人, 2016b, Shah等人, 2019, Shah等人, 2018）。对数正态变化的起源通常归因于吸积流内的乘法过程（McHardy, 2010; Uttley等人, 2005）。然而，仅靠盘面的波动无法解释许多类星体中观察到的分钟级变化（Albert等人, 2007; Gaidos等人, 1996; Paliya等人, 2015）。其他解释提到了基于喷流的机制，例如主相对论喷流内大量随机定向的微喷流的发射（Biteau和Giebels, 2012），或者粒子加速时间尺度上的随机扰动，这些扰动导致粒子指数的高斯变化，从而导致对数正态通量分布（Sinha等人, 2018）。这些过程突显了湍流、冲击波和相对论喷流内粒子级联的重要性（Ghisellini等人, 2010），并且指数与通量之间的观察到的相关性进一步支持了粒子加速与喷流中能量分布的直接耦合（Abdo等人, 2010; Hota等人, 2021）。

Mrk 421位于红移z≈0.031处，是外星系天空中最近和最亮的VHE类星体之一。它最初是由高能伽马射线实验望远镜（EGRET; Lin等人, 1992）在伽马射线波段探测到的，也是Whipple望远镜首次确认的TeV类星体（Petry等人, 1996; Punch等人, 1992）。此后，它在整个电磁频谱范围内被广泛研究（Krawczynski等人, 2001; Shukla等人, 2012; Sinha等人, 2016），显示出从几分钟到几天时间尺度上的X射线和伽马射线波段的显著变化（Falomo等人, 2014; Goyal, 2020; Wagner和Witzel, 1995）。快速的X射线变化表明发射电子具有高能量且冷却时间短（Ackermann等人, 2016; Aharonian等人, 2007）。基于这些发现，Akbar等人（2025）和Hota等人（2021）利用2016年至2019年间的多次AstroSat观测对Mrk 421进行了详细的时间分辨X射线光谱分析。Hota等人（2021）表明，可以根据光谱参数的相关性区分出光谱简并模型。Akbar等人（2025）发现所有时期的旋转能量是恒定的，这一结果对于断裂幂律（BPL）、对数抛物线（LP）和具有最大电子能量（ξmax）的粒子能量分布表示都是模型独立的。旋转能量的不变性表明，Mrk 421的X射线变化主要是由光谱指数的变化驱动的，而不是归一化变化，这意味着磁场强度和多普勒因子等参数相对稳定。因此，变化的主要来源很可能是与喷流发射区域内的粒子加速或逃逸时间尺度变化有关。

**以往的研究**
先前的研究报告了Mrk 421的双状态光谱行为。然而，尚不清楚这种双状态行为是否反映了源的固有物理特性，还是取决于特定的分析方法。在这项工作中，我们证明双状态行为独立于通量分辨光谱和时间分辨统计分布而出现，表明它不仅仅是由方法选择驱动的。我们利用AstroSat观测的通量和光谱指数分布特性，通过通量和时间分辨的X射线光谱分析研究了Mrk 421，并讨论了对喷流主导类星体中粒子加速和光谱变化的影响。

**论文结构**
第2节介绍了数据还原过程，第3节展示了通量和时间分辨光谱分析的结果以及详细的相关性研究，第4节总结了我们的工作，并进行了深入讨论。

**数据还原**
AstroSat是印度第一个专门的多波段太空观测站，它具有同时观测从光学/紫外线到软X射线和硬X射线能量的独特能力（Agrawal, 2017）。该任务携带五个科学载荷，包括工作在130–300 nm波段的紫外线成像望远镜（UVIT，Tandon等人, 2017a, Tandon等人, 2017b）；对0.3–8.0 keV能量范围敏感的软X射线望远镜（SXT，Singh等人, 2016, Singh等人, 2017）。

**通量变化**
我们生成了2017年1月3日至8日期间Mrk 421的X射线光变曲线（观测ID：A02_005T01_9000000948）。LAXPC20光变曲线覆盖了3.0–30.0 keV能量范围，而SXT光变曲线覆盖了0.8–7.0 keV波段。图1显示了经过100秒分箱并减去背景后的LAXPC20和SXT光变曲线。我们使用FTOOL LCSTATS工具评估了X射线光变曲线的变化特性。

**总结与讨论**
Mrk 421是一个HBL类星体，也是X射线波段中最亮的类星体之一。2017年1月3日至8日期间，我们使用AstroSat上的SXT和LAXPC20仪器对该源进行了观测。在本分析中，SXT数据用于0.8–7.0 keV范围，LAXPC20数据用于3.0–30.0 keV范围，从而提供了对同步辐射成分的广泛X射线光谱覆盖。这次观测提供了该源最长的不间断LAXPC曝光时间，使我们能够进行详细分析。