Universität zu Köln

Radio-laute aktive Galaxiekerne (AGN) weisen starke relativistische Jets auf, die sich \"uber Millionen Lichtjahre erstrecken und sich h\"aufig in komplexen kinetischen Mustern anordnen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit fortbewegen. Mehrere physikalische Modelle versuchen derzeit die Morphologie und Kinematik von very long baseline interferometry (VLBI) Radio Aufnahmen dieser Objekte zu erkl\"aren. Robuste Messungen longitudinaler und transversaler Geschwindigkeitsfelder innerhalb dieser Jets liefern wichtige Informationen \"uber diese Modelle. Dies stellt eine schwierige Aufgabe dar, insbesondere f\"ur transversal aufgel\"oste Jets, wie sie in 3C\,273 und M87 zu finden sind. Um dieses Problem zu l\"osen haben wir eine wavelet basierte Bildsegmentierungs- und Bewertungstechnik (WISE) f\"ur charakteristische strukturelle Muster (SSP) glatter und transversal aufgel\"oster Fl\"usse entwickelt. Au{\ss}erdem l\"asst sich hierdurch anhand von Aufnahmen, die sich \"uber mehrere Epochen erstrecken, durch Kreuzkorrelation ein Geschwindigkeitsfeld dieser Regionen bestimmen. Die Detektion individueller SSPs erfolgt \"uber eine Wavelet-dekomposition und Segmentation auf verschiedenen Skalen der beobachteten Struktur. Der Kreuzkorrelationsalgorithmus kombiniert strukturelle Informationen aus verschiedenen Skalen der Wavelet-dekomposition und liefert hierdurch eine belastbare und verl\"assliche Identifikation von im Zusammenhang stehenden SSPs aus Aufnahmen von mehreren Epochen. Eine stacked cross correlation (SCC) wird ebenfalls benutzt um mehrere Geschwindigkeitskomponenten teilweise \"uberlappender Emissionsregionen zu rekonstruieren. Tests mit simulierten Aufnahmen von Jets zeigen, dass WISE diese Aufgabe ausgezeichnet erledigt. Der Algorithmus rekonstruiert die strukturelle Evolution auf Skalen bis zum 0.25 fachen des FWHM der PSF dieser Bilder. Es zeigt gut Leistung beim Umgang mit vereinzelt oder irregul\"ar beobachteten Datens\"atzen und erm\"oglicht eine robuste Identifikation von Dislokationen bis zur dreifachen PSF Gr\"o{\ss}e. WISE wurde des weiteren an astronomischen Aufnahmen getestet, in dem es auf verschiedene Sequenzen von VLBI Aufnahmen angewendet wurde, welche im Rahmen des MOJAVE Langzeitaufnahmeprogramms extra galaktischer Jets entstanden sind. Besonderer Fokus wurde auf die bekannten Radio-Jets des Quasars 3C\,273 und der Radiogalaxien 3C\,120 und 3C\,111 gelegt. Die Ergebnisse best\"atigen die mit WISE erreichbare Belastbarkeit und Genauigkeit im Vergleich mit den \"ublichen Methoden, welche multiple Gauss Komponenten nutzen um die beobachtete Struktur darzustellen. WISE ist au{\ss}erdem hocheffizient. Es ist m\"oglich innerhalb von Minuten die gleiche strukturelle Information zu rekonstruieren f\"ur die ansonsten ein Model-fitting Aufwand von Wochen ben\"otigt w\"urde. Über die globale eindimensionale kinematische Analyse hinaus zeigte WISE eine transversale Struktur innerhalb des Jets von 3C\,273 mit drei unterscheidbaren Flusslinien auf, welche sich klar innerhalb des Jets befinden und in regul\"arer Form entwickeln. Dies legt ein Muster nahe, das sich aus Kelvin-Helmholtz (K-H) Instabilit\"aten entwickelt, welche fr\"uher bereits in diesem Jet detektiert worden sind. Die Positionsgenauigkeit der Dekomposition von WISE war ein kritischer Faktor in der Modellierung der spiralf\"ormigen Trajektorien der Komponenten des Jets in 3C\,120 und zeigte eine spiralf\"ormige Oberfl\"achen-Mode der K-H Instabilit\"at mit einer scheinbaren Wellenl\"ange $\lambda_{\mathrm{app}} = 15.8$ mas und einer scheinbaren Geschwindigkeit von $\beta_{\mathrm{app}} = 2\ c$ auf. Abschlie{\ss}end pr\"asentieren wir das erste transversale Geschwindigkeitsfeld des Jets in M87 auf Skalen von $10^{3} \text{--} 10^{4} r_g$. Die Kombination aus der unmittelbaren N\"ahe des Objektes zu uns und der gro{\ss}en Masse des zentralen super-massereichen schwarzen Loches (SMBH) machen es zu einer der prim\"aren Quellen um die Entstehung und die Beschleunigungsregion von Jets zu untersuchen. Wir haben 11 Epochen des M87 Jets im Rhythmus von 3 Wochen analysiert, welche einen strukturierten und geschichteten Fluss aufzeigen, der in guter Übereinstimmung mit einem magnetisch in Gang gesetzten, beschleunigten und kollimierten Jet ist. Wichtige physikalische Parameter des Flusses konnten bestimmt werden. Durch Nutzung der Geschwindigkeiten, welche im Gegenjet detektiert wurden und des Intensit\"atsverh\"altnisses zwischen Jet und Gegenjet haben wir einen Beobachtungswinkel von $\theta = 18\degree$ ermittelt. Die differentielle Geschwindigkeit im n\"ordlichen und s\"udlichen Teil des Jets wurde als Ursache der Jetrotation mit einer Feldlinien Winkelgeschwindigkeit $\Omega \sim 10^{-6} s^ {-1}$ interpretiert. Dies entspricht einer Startregion im inneren Teil der Akkretionsscheibe. Die SSC Analyse zeigt eine Schichtung des Flusses in eine langsame leicht relativistische Schicht ($\beta \sim 0.5 c$), welche entweder mit einer Geschwindigkeit des Instabilit\"atsmusters oder einem \"au{\ss}eren Wind assoziiert ist, und eine schnell beschleunigende Stromlinie ($\gamma \sim 2.5$). Das Beschleunigungs und Kollimationsprofil des Flusses wurden erfolgreich modelliert indem die magnetohydrodynamische Windgleichung gel\"ost wurde. Dies liefert Hinweise auf eine spezifische Energie $\mu \sim 6$, und einen Übergang von Poynting zu kinetischer Energie in einer Entfernung von $z_{eq} \sim 3000 R_s$, was in guter Übereinstimmung mit fr\"uheren analytischen Arbeiten und Simulationen ist.

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