Universität zu Köln

Zooming into γ-ray loud galactic nuclei: broadband emission and structure dynamics of the blazar PKS 1502+106 and the narrow-line Seyfert 1 1H 0323+342

Karamanavis, Vasileios (Vassilis) (2015) Zooming into γ-ray loud galactic nuclei: broadband emission and structure dynamics of the blazar PKS 1502+106 and the narrow-line Seyfert 1 1H 0323+342. PhD thesis, Universität zu Köln.

[img]
Preview
PDF - Published Version
Available under License Creative Commons Attribution Share Alike.

Download (26Mb) | Preview

    Abstract

    Blazars are accretion-powered systems representing the most extreme flavor of active galactic nuclei (AGN). This thesis focuses on the study of blazar PKS 1502+106 during a prominent broadband outburst using ultra-high resolution imaging and a broadband single-dish study. The former is accomplished through very-long-baseline interferometry (VLBI) down to short millimeter (mm) wavelengths, while the latter uses densely-sampled radio light curves at a wide frequency range. The same combination allows the detailed study of the galaxy 1H 0323+342. This is a prominent member of the narrow-line Seyfert 1 (NLS1) class of AGN, recently discovered to emit gamma-rays. General aspects of AGN along with an introduction to their discovery, phenomenology, and their constituent parts are discussed in Chapter 1. Here, specific aspects of blazars and concepts used in later chapters are also introduced. Chapter 2 introduces the technique of VLBI from a theoretical standpoint, while in Chapter 3 the practical aspects of VLBI calibration and imaging at mm wavelengths are discussed. The phenomenology and physical characteristics of PKS 1502+106 through a cm- to mm-VLBI study are presented in Chapter 4. The data set features Global Millimeter VLBI Array (GMVA) observations at 7 mm (43 GHz) and 3 mm (86 GHz) along with complementary observations at 2 cm (15 GHz) from the MOJAVE program. We also combine the analysis with F-GAMMA program data at frequencies matching the VLBI monitoring and with the Fermi/LAT gamma-ray light curve. From the rich data set we deduce its kinematical and spectral characteristics which allow the inference of physical parameters of the ultra-relativistic jet of PKS 1502+106. For the jet features identified across observing frequencies we deduce Doppler factors in the range ~10--50 at different positions within the flow. Magnetic field strengths and brightness temperatures along the jet are also deduced. The position-dependent differences in viewing angle and Lorentz factors, indicate a jet bending towards the observer that also accelerates. The kinematical model and radio flux density decomposition into distinct jet components in conjunction with the gamma-ray data indicate that the broadband flare, seen first at γ-rays and its delayed counterparts at radio wavelengths, can be attributed to one traveling jet feature (C3). Finally, the emission site of the gamma-ray emission is constrained to <10--15 pc from the jet base. The outburst of PKS 1502+106 seen through the dense, single-dish, F-GAMMA data set between 2.64--345 GHz is discussed in Chapter 5. By employing three different time series analysis techniques relevant light curve parameters, such as the flare amplitude, flare time scales, and time delays of maxima are extracted. Those exhibit dependencies on observing frequency that are well-described by power laws. The frequency-dependent light curve parameters are compared with the expectations of analytical simulations (see Chapter 5 for references) under the shock-in-jet scenario with which a good agreement is found. From the frequency-dependent time lags, equipartition magnetic field strengths are calculated and in combination with the VLBI findings from Chapter 4, the MeV/GeV emitting region is localized at the edge or slightly further from the bulk of the broad-line region (BLR) material of PKS 1502+106 with important consequences on the origin of photons available for inverse Compton up-scattering. In Chapter 6 the powerful combination of previous findings based on the F-GAMMA monitoring with VLBI images at 15 GHz allows the determination of the viewing angle towards the NLS1 galaxy 1H 0323+342. This is found to be θ = 12--13 degrees. A summary and concluding remarks arising from the thesis at hand are presented in Chapter 7.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Blazare sind akkretionsgetriebene Systeme und stellen die extremste Kategorie aktiver galaktischer Kerne (AGN) dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Blazars PKS 1502+106 waehrend eines markanten Breitband-Helligkeitsausbruchs. Mit Hilfe ultra-hochaufloesender Bildverarbeitung und breitbandinger Einzelteleskop- eobachtungen wurde die Quelle analysiert. Erstere wird durch Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bei Wellenlaengen im mm-Bereich bewerkstelligt, fuer letztere werden Radiolichtkurven mit dichtem Sampling in einem breiten Frequenzbereich verwendet. Diese Kombination ermoeglicht darueber hinaus die Untersuchung der Galaxie 1H 0323+342. Diese ist ein bedeutendes Mitglied der Narrow-Line Seyfert 1 (NLS1) Klasse der AGN, von denen seit kurzem bekannt ist, dass sie γ-Strahlen emittieren. Allgemeine Aspekte der AGN, einschliesslich ihrer Entdeckung, Phaenomenologie und ihrer Bestandteile, werden in Kapitel 1 behandelt. Hier werden auch spezifische Aspekte der Blazare, sowie in spaeteren Kapiteln verwendete Begriffe, eingefuehrt. In Kapitel 2 erfolgt eine Einfuehrung in die VLBI-Methode aus theoretischer Sicht, waehrend in Kapitel 3 die praktischen Aspekte der VLBI-Kalibration und Bildverarbeitung bei mm-Wellenlaengen eroertert werden. Die Phaenomenologie und physikalischen Merkmale von PKS 1502+106 werden anhand von VLBI-Beobachtungen im cm- bis mm-Bereich in Kapitel 4 vorgestellt. Der Datensatz beinhaltet Beobachtungen mit dem Global Millimeter VLBI Array (GMVA) bei 7 mm (43 GHz) und 3 mm (86 GHz), zusammen mit ergaenzenden Beobachtungen bei 2 cm (15 GHz) aus dem MOJAVE-Programm. Wir kombinieren die Analyse ausserdem mit Daten des F-GAMMA-Programms bei Frequenzen, die denen der VLBI-Messungen entsprechen, sowie mit der Fermi/LAT gamma-Strahlungs-Lichtkurve. Mithilfe dieses reichhaltigen Datensatzes ermitteln wir die kinematischen und spektralen Eigenschaften, die Rueckschluesse auf physikalische Parameter des ultrarelativistischen Jets von PKS 1502+106 erlauben. Fuer die Merkmale des Jets, die im beobachteten Frequenzbrereich ermittelt wurden, erhalten wir Dopplerfaktoren im Bereich ~10--50 an verschiedenen Positionen entlang der Ausbreitungsrichtung. Magnetische Feldstaerken und Helligkeitstemperaturen entlang des Jets werden ebenfalls bestimmt. Die positionsabhaengige Aenderung des Sichtwinkels sowie des Lorentz-Faktors deuten auf einen sich in Richtung des Beobachters kruemmenden Jet hin, der sich noch dazu beschleunigt. Das kinematische Modell und die Zerlegung der Radioflussdichte in verschiedene Jet-Komponenten in Verbindung mit den Gammadaten weisen auf eine breitbandige Eruption hin, welche zuerst im Gammabereich, zeitlich verzoegert anschliessend im Radiowellenbereich, gesehen wurde. Dies Entspricht einem bewegten Jet-Knoten (C3) zugeordnet werden kann. Letztendlich kann der Emissionsbereich der Gammastrahlung bis auf 10--15 pc von der Jetbasis festgelegt werden. Der Ausbruch von PKS 1502+106, welcher mittels Einzelteleskop-, F-GAMMA-Daten im Bereich zwischen 2.64--345 GHz beobachtet wurde, wird in Kapitel 5 besprochen. Mittels drei unterschiedlicher Methoden zur Zeitreihenanalyse werden die relevanten Lichtkurvenparameter, wie Flareamplitude, Zeitskala des Flares sowie zeitliche Verzoegerungen der Maxima, ermittelt. Diese zeigen durch ein Potenzgesetz beschreibbare Abhaengigkeiten von der Beobachtungsfrequenz. Die frequenzabhaengigen Lichtkurvenparameter werden mit den Erwartungen aus analytischen Simulationen (fuer Referenzen siehe Kapitel 5) im Rahmen des Schock-in-Jet-Szenarios verglichen, mit welchem gute Uebereinstimmung gefunden werden. Ausgehend von den frequenzabhaengigen Zeitverzoegerungen werden Equipartitions Magnetfeldstaerken berechnet und mit den VLBI Ergebnissen aus Kapitel 4 kombiniert. Dadurch wird die MeV/GeV Emissionsregion am Rand oder leicht entfernt vom Grossteil des Materials der broad line region (BLR) von PKS 1502+106 bestimmt, was wichtige Konsequenzen fuer den Ursprung der Photonen in Bezug auf inverse Comptonstreuung ergibt. Die Kombination von frueheren Entdeckungen basierend auf der F-GAMMA Ueberwachung zusammen mit VLBI Bildern bei 15 GHz ermoeglicht die Bestimmung des Betrachtungswinkels in Richtung der NLS1 Galaxie 1H 0323+342. Jener wird mit θ = 12--13 Grad bestimmt. Eine Zusammenfassung, sowie abschliessende Schlussfolgerungen zur vorliegenden Dissertation werden in Kapitel 7 vorgelegt.German
    Τα μπλέιζαρς, τροφοδοτούμενα απο την προσαύξηση μάζας σε μελανές οπές, αποτελούν την πιο ακραία έκφανση των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων (AGN). Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη μελέτη του μπλέιζαρ PKS 1502+106 κατά τη διάρκεια μίας ενεργειακής έκλαμψης ακτίνων γ, αξιοποιώντας δύο προσεγγίσεις: (i) απεικόνιση υψηλής διακριτικής ικανότητας και (ii) συστηματικές παρατηρήσεις σε πολλαπλές συχνότητες του ραδιοφωνικού φάσματος. Στην πρώτη γίνεται χρήση συμβολομετρίας πολύ μεγάλων αποστάσεων (VLBI) σε μήκη κύματος εκατοστών και χιλιοστών του μέτρου. Στη δεύτερη, αξιοποιούνται δεδομένα μεμονωμένων τηλεσκοπίων και καμπύλες φωτός με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας. Ο ίδιος συνδυασμός τεχνικών επιτρέπει την λεπτομερή μελέτη του ενεργού γαλαξία 1H 0323+342. Ο τελευταίος αποτελεί μέλος της κατηγορίας των γαλαξιών narrow-line Seyfert 1 (NLS1) που πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι εκπέμπουν ακτινοβολία γ. Μία γενική εισαγωγή σχετικά με τους πυρήνες ενεργών γαλαξιών, την ανακάλυψή τους, την φαινομενολογία αλλά και τα συστατικά στοιχεία τους δίνονται στο Κεφάλαιο 1. Παράλληλα, παρουσιάζονται και συζητούνται έννοιες σχετικές με τα μπλέιζαρς. Στο Κεφάλαιο 2, εισάγεται η τεχνική της συμβολομετρίας πολύ μεγάλων αποστάσεων από θεωρητική σκοπιά, ενώ στο επόμενο κεφάλαιο συζητούνται πρακτικές απόψεις της τεχνικής αυτής σχετικές με την επεξεργασία των δεδομένων και την παραγωγή εικόνων. Δίνεται έμφαση στο VLBI στη περιοχή των χιλιοστομετρικών μηκών κύματος. Φαινομενολογικά και φυσικά χαρακτηριστικά του μπλέιζαρ PKS 1502+106, μέσω της τεχνικής VLBI σε μήκη κύματος από εκατοστά μέχρι χιλιοστά, παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 4. Τα δεδομένα προέρχονται από τη συστοιχία τηλεσκοπίων Global Millimeter VLBI Array (GMVA) και αποτελούνται από παρατηρήσεις στα 7 mm (43 GHz) και 3 mm (86 GHz). Επιπλέον δεδομένα στα 2 cm (15 GHz) προέρχονται από το πρόγραμμα MOJAVE. Η συμβολομετρική ανάλυση συνδυάζεται με δεδομένα από το πρόγραμμα F-GAMMA στις προαναφερθείσες συχνότητες και παρατηρήσεις ακτίνων γ από το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi. Από την συλλογή αυτή των δεδομένων συνάγονται οι κινηματικές και φασματικές ιδιότητες της πηγής που επιτρέπουν την ποσοτικοποίηση των φυσικών χαρακτηριστικών της σχετικιστικής ροής (τζετ) του PKS 1502+106. Για στοιχεία της ροής (VLBI components), ταυτοποιημένα μεταξύ συχνοτήτων, υπολογίζονται παράγοντες ενίσχυσης Ντόπλερ μεταξύ 10 και 50 σε διαφορετικές θέσεις του τζετ. Υπολογίζονται επίσης η ένταση του μαγνητικού πεδίου και η θερμοκρασία λαμπρότητας κατά μήκος της σχετικιστικής ροής. Οι διαφορές σε γωνία θέασης και παράγοντα Λόρεντς που εξαρτώνται από τη θέση (εντός της ροής) οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η ροή όχι μόνο κάμπτεται προς τον παρατηρητή αλλά επιπλέον παρουσιάζει εσωτερική επιτάχυνση. Το κινηματικό μοντέλο και η κατανομή της ραδιοφωνικής πυκνότητας ροής (flux density) μεταξύ στοιχείων του τζετ σε συνάρτηση με τα δεδομένα στις ακτίνες γ, καταδεικνύουν ότι η έκλαμψη (ορατή πρώτα στις υψηλές ενέργειες και με καθυστέρηση σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος) συνδέεται με ένα κινούμενο στοιχείο της ροής (C3). Τέλος, η περιοχή εκπομπής ακτινοβολίας γ περιορίζεται σε μία απόσταση μικρότερη των 10—15 pc από τη βάση του τζετ. Η έκλαμψη του PKS 1502+106, όπως παρατηρείται από τα δεδομένα μεμονωμένων τηλεσκοπίων και υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας του προγράμματος F-GAMMA, σχολιάζεται στο Κεφάλαιο 5. Χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικές μεθόδους ανάλυσης χρονοσειρών εξάγονται χαρακτηριστικές ποσότητες των καμπυλών φωτός, όπως το εύρος της μεταβολής, η διάρκειά της και η χρονική διαφορά μεταξύ των μεγίστων τιμών (σε διαφορετικά μήκη κύματος). Η εξάρτηση των παραπάνω ποσοτήτων από την συχνότητα παρατήρησης ακολουθεί νόμους δύναμης (power laws). Οι ίδιες εξαρτήσεις βρίσκονται σε καλή συμφωνία με την αναμενόμενη συμπεριφορά από μοντέλα που υιοθετούν την διάδοση διαταραχών (κρουστικών μετώπων, shocks) εντός του τζετ. Η εξαρτώμενη από τη συχνότητα χρονική καθυστέρηση μεταξύ των μεγίστων στις καμπύλες φωτός, επιτρέπει μία τομογραφία του μαγνητικού πεδίου κατά μήκος του τζετ. Η σύγκριση με τα ευρήματα της ανάλυσης VLBI οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία ακτίνων γ προέρχεται από μία περιοχή στα όρια ή πέρα από την περιοχή διευρυμένων φασματικών γραμμών (BLR) του PKS 1502+106. Το συμπέρασμα αυτό έχει σημαντικές συνέπειες για την προέλευση του πεδίου φωτονίων που μπορούν να αποτελέσουν στόχο για αντίστροφη σκέδαση Κόμπτον προς υψηλές ενέργειες. Στο Κεφάλαιο 6 ο ίδιος συνδυασμός τεχνικών επιτρέπει τον περιορισμό της γωνίας θέασης του γαλαξία 1H 0323+342 στο εύρος 12—13ο. Τα ευρήματα αυτής της διατριβής και οι τελικές παρατηρήσεις παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 7.Greek, Modern (1453-)
    Creators:
    CreatorsEmail
    Karamanavis, Vasileios (Vassilis)vkaraman@mpifr-bonn.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-62799
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Extragalactic astrophysics, AGN, active galaxies, blazars, jets, quasars, PKS 1502+106, 1H 0323+342, narrow-line Seyfert 1, NLS1, radiation processes, non-thermal, radio astrophysicsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > I. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: 16 March 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 06 May 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 24 Aug 2015 11:30:12
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, AndreasProf. Dr.
    Zensus, J. AntonProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6280

    Actions (login required)

    View Item