Universität zu Köln

Broad-band study of selected Gamma-ray active blazars

Rani, Bindu (2013) Broad-band study of selected Gamma-ray active blazars. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The analysis presented in this thesis is aimed to provide a more detailed understanding of the relation between flux density outbursts seen at radio, optical, and gamma-ray frequencies and the subsequent structural variability as seen by VLBI. Setting tighter observational constraints on parameters required for the synchrotron self-Compton and inverse-Compton modeling of the high-energy radiation is the prime target. A special attention is given to the parsec scale jet kinematics of the BL Lac object S5 0716+714 using mm-VLBI with an angular resolution up to ~50 microarcseconds. The aim of the broad-band variability study reported in this thesis is to provide a general physical scenario, which allows to put the observed variation of the source across several decades of frequencies in a coherent context. The densely sampled multi-frequency observations of S5 0716+714 over the past 5 years allow us to study its broad-band flaring behavior from radio to gamma-rays and probe into the physical processes, location and size of the emission regions for the source, which is ultra-compact and known to be one of the fastest variable blazars. The combination of the broad-band variability characteristics with the VLBI measurements provides new insights into the core region and at the jet base, a view which was not possible in earlier studies at lower VLBI observing frequencies. More explicitly, the correlation of the gamma-ray flaring activity with the emission at optical to radio frequencies is investigated focusing on some prominent flares observed between April 2007 and April 2012. The time evolution of radio (cm and mm) spectra is tested in the context of a standard shock-in-jet model. The broad-band spectral energy distribution (SED) of the source is investigated using a one-zone synchrotron self-Compton (SSC) model and also with a hybrid model, which involves a SSC and an external Compton (EC) component. The intense optical monitoring of the source reveals fast quasi-periodic variations superimposed on a long-term variability trend at a time scale of ~360days. Episodes of fast variability recur on time scales of ~60-to-70days. The prominent and simultaneous flaring activity at optical and gamma-ray frequencies favors the SSC mechanism for the production of the high-energy emission. The high-energy (gamma-ray - optical) flares propagate down to radio frequencies with a time delay of ~65 days following a power-law dependence in frequency with a slope ~0.3. This indicates that the internal opacity effects play a key role in producing time delays among light curves at optically thin and thick wavelengths. The evolution of the radio flares agrees with the formation of a shock and its propagation with a contribution of geometrical variation in addition to intrinsic variations in the jet. The broad-band spectral energy distributions (SEDs) of the source during different flaring episodes can not be well described by a pure one-zone SSC model, and require an additional EC contribution from the external radiation field, which is dominated by Ly-alpha emission from the broad-line region (BLR). A detailed investigation of the high-energy spectrum supports the view that the BLR has a significant impact on the observed gamma-ray spectral breaks at a few GeVs, due to pair production. The energy density of this external radiation field varies between 10$^{-6}$ to 10$^{-5}$\,erg\,cm$^{-3}$, which is a factor of ~1000 lower than what is expected for a typical quasar, and is a reasonable value for a gas poor (emission line-free) BL Lac object like S5 0716$+$714. High-frequency VLBI observations revealed a standing feature observed at ~0.1 milli-arcsecond separation from the core. Further downstream, the individual component motion indicates jet acceleration. Curved trajectories in the component motion, variations in the jet ridge line, and a position angle swing at the base of the jet are all consistent with the helical jet model, in which the ejected components transport angular momentum away from the central engine. The observed correlation of the core flux with the single dish radio flux light curves and the concurrent variations in the inner jet position angle with high-energy (optical/gamma-ray) flux suggests that the high-energy emission is coming from a region, which is located inside the mm-VLBI core, so upstream to the tau=1 surface on scales <0.27 parsec towards the central black hole.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Mit der in dieser Dissertation pr\"asentierten Analyse wird ein besseres Verst\"andnis der Beziehung zwischen Fluss\-dichte\-aus\-br\"uchen im Radio-, optischen und Gammastrahlungsbereich und den darauffolgenden, mit VLBI gesehenen, strukturellen Ver\"ande\-rungen angestrebt. Das Prim\"ar\-ziel ist st\"arkere, durch Beobachtungen gewonnene Ein\-schr\"an\-kungen f\"ur Parameter zu setzen, die f\"ur die Synchrotron-Selbst-Compton- und die inverse Compton-Modellierung der Hoch\-energie\-strahlung ben\"otigt werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Kinematik des Jets des BL\,Lac-Objekts S5 0716$+$714 auf Gr\"o\ss{}enskalen von Parsecs unter Verwendung von mm-VLBI mit einer Winkelaufl\"osung von bis zu $\sim$50\,{\rm $\mu$as}. Ziel der hier pr\"asentierten Studie der Breitbandvariabilit\"at ist ein allgemeines physikalisches Szenario zu erhalten, in dem die beobachteten Variationen der Quelle \"uber zahlreiche Gr\"o\ss{}en\-ordnungen von Frequenzen in einen schl\"ussigen Zu\-sam\-men\-hang gebracht werden. Die Multifrequenz-Beobachtungen von S5 0716$+$714 in kurzen zeitlichen Abst\"anden \"uber 5 Jahre erm\"oglichen uns den Verlauf der Breitband-Strahlungsausbr\"uche vom Radiobereich bis zur Gammastrahlung zu studieren. Weiterhin k\"onnen damit die physikalischen Prozesse, die Position und die Gr\"o\ss{}e der Emissionsregion in dieser Quelle -- die ultra-kompakt und als einer der Blazare mit der schnellsten Variabilit\"at bekannt ist -- erforscht werden. Die Kombination von Eigenschaften der Breitbandvariabilit\"at mit VLBI-Messungen liefert neue Einblicke in die Kernregion und den Entstehungsbereich des Jets; einen Einblick, der in fr\"uheren Studien bei niedrigeren Beobachtungsfrequenz nicht m\"oglich war. Die Korrelation zwischen Gammastrahlungsausbr\"uchen und der Emission vom Radio- bis zum optischen Bereich wird untersucht, insbesondere die auff\"alligsten Ausbr\"uche, die zwischen April 2007 und April 2012 beobachtet wurden. Die zeitliche Entwicklung der Radiospektren (cm und mm Wellenl\"angen) werden im Kontext des standardm\"a\ss{}igen ``Schock-in-Jet''-Modells getestet. Die spektrale Energieverteilung (SED) der Quelle wird mit einen Synchrotron-Selbst-Compton-Modell (SSC) mit einer Emissionszone sowie mit einengemischten Modell, das SSC und einen externen Comptonbeitrag beinhaltet, untersucht. Das intensive optische Beobachtungsprogramm der Quelle zeigt schnelle quasi-periodi\-sche Variationen, die mit einem Langzeit-Variabilit\"atstrend auf Zeitskalen von $\sim$360 Tagen \"uberlagert sind. Phasen mit schneller Variabilit\"at wiederholen sich auf Zeitskalen von $\sim$60--70\,Tagen. Die starke und simultane Aktivit\"at im optischen und im Gammastrahlungsbereich spricht f\"ur den SSC-Mechanismus als Quelle der Hoch\-energie\-emission. Die Hochenergie\-ausbr\"uche (Gammastrahlung -- optischer Bereich) pflanzen sich mit Zeitverz\"ogerung von $\sim$65\,Tagen bis in den Radiobereich fort. Die Verz\"ogerung ist frequenzabh\"angig und folgt einem Potenzgesetz mit einem Exponent von $\sim$0.3. Dies deutet darauf hin, dass interne Opazit\"atseffekte eine Schl\"usselrolle bei der Entstehung der Zeitverz\"ogerung zwischen Lichtkurven bei verschiedenen Wellenl\"angen spielen. Die zeitliche Entwicklung der Ausbr\"uche im Radiobereich ist konsistent mit der Entstehung eines Schocks und dessen Ausbreitung mit einem Beitrag von geometrischen Ver\"anderungen zus\"atzlich zu intrinsischen Variationen im Jet. Die Breitband-SED der Quelle kann w\"ahrend verschiedener Zeitr\"aumen mit Strahlungsausbr\"uchen nicht gut durch ein reines SSC-Modell mit nur einer Emissionszone beschrieben werden, sondern ben\"otigt einen zus\"atzlichen externen Comptonbeitrag, wobei das externe Strahlungsfeld durch Ly-$\alpha$-Emission der Broad-Line-Region (BLR) dominiert wird. Eine detaillierte Untersuchung des Hoch\-energie\-spektrums spricht daf\"ur, dass die BLR, aufgrund von Paar\-erzeugung, einen starken Einfluss auf den beobachteten Knick im Gammastrahlenspektrum bei einigen wenigen GeV hat. Die Energiedichte dieses externen Strahlungsfelds variiert zwischen 10$^{-6}$ und 10$^{-5}$\,erg\,cm$^{-3}$. Das ist um einen Faktor $\sim$1000 niedriger als f\"ur einen typischen Quasar erwartet, aber es ist ein plausibler Wert f\"ur ein BL\,Lac-Objekt mit wenig Gas (keine Emissionslinien) wie S5 0716$+$714. Hochfrequente VLBI-Beobachtungen zeigen eine station\"are Struktur bei einer Entfernung von $\sim$0.1\,milli-arcsecond vom Kern. Weiter stromabw\"arts deutet die Bewegung von individuellen Komponenten auf Beschleunigung im Jet hin. Gekr\"ummte Trajektorien der Komponenten, Variationen der ``Ridge-Line'' des Jets und eine Drehung des Positionswinkels des Jets nahe seiner Entstehungsregion sind konsistent mit helikalen Jetmodellen, in welchen ausgestossene Jetkomponenten Drehmoment vom zentralen Objekt wegtransportieren. Die beobachtete Korrelation zwischen dem Kernfluss und dem mit Einzelteleskopen gemessenen Radiofluss, sowie die gleichzeitigen \"Anderungen des Positionswinkels des inneren Jets und des Hochenergieflusses (optisch und Gammastrahlung) deuten darauf hin, dass die Hochenergiestrahlung ihren Ursprung in einer Region hat, die sich innerhalb des bei mm-Wellenl\"angen gesehenen VLBI-Kerns hat, also stromaufw\"arts der $\tau = 1$ Oberfl\"ache auf Gr\"o\ss{}enskalen $<$0.27~parsec vom zentralen schwarzen Loch.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Rani, Bindubrani@mpifr-bonn.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-54731
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Active Galactic Nuclei, blazars, jets, gamma-rays, and Very Long Baseline InterferometryEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 14 November 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 January 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 19 Feb 2014 11:30:09
    Referee
    NameAcademic Title
    Zensus , Anton J.Prof. hon. Dr.
    Eckart , AndreasProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5473

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