Multi-Frequency VLBI Observations of the Active Galaxy NGC 1052

Baczko, Anne-Kathrin ORCID: 0000-0003-3090-3975 (2020). Multi-Frequency VLBI Observations of the Active Galaxy NGC 1052. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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DOI:10.18716/kups/11381

Abstract

Active galactic nuclei (AGN) are among the most energetic sources in the universe, a large fraction of which are visible across the entire electromagnetic spectrum. Historically a zoo of different types of AGN were categorized based on a variety of observational properties, which can be explained by one unification scheme. A subset of these sources is characterized by relativistic outflows, called jets. The standard model assumes intrinsic symmetry between the jet and the counter-jet. Radio interferometric observations provide the highest achievable resolution which is key to understanding the physics driving AGN jets. The scope of this thesis is to investigate the physical processes responsible for the launching and collimation of relativistic jets. This is achieved with Very Long Baseline Interferometry (VLBI) at centimetre and millimetre wavelengths of the double-sided relativistic outflows within the active galaxy NGC 1052. At a distance of only 20 Mpc, linear scales down to a few hundred Schwarzschild radii can be imaged with mm-VLBI. The orientation of both jets close to the plane of the sky makes NGC 1052 an ideal target to study the symmetry-paradigm predicted by the unification scheme. The thesis is organized as follows. The first two chapters will give an introduction on our current understanding of launching, collimation, and emission processes of AGN and their jets as well as an overview on the technique of VLBI. In chapters 3 trough 5 I will present the analysis and results of a multi-frequency and multi-epoch study on NGC1052. Chapter 6 summarizes these findings and places them within the context of current AGN/jet scholarship. Additional information on the analysis is provided in tabular and graphical form in the appendices A and B. During my thesis work I developed a set of python scripts for calibration and analysis, which are presented in appendix C. In the following I give a short overview on the main results from this dissertation. Observations of NGC1052 at 22 GHz and 43 GHz over 4 years suggest an intrinsic asymmetry between both jets, which evolve east- and westwards in the plane of the sky. Based on a study of the outflow velocities, the eastern jet was found to be significantly faster than the western jet. Overall faster velocities were found compared to earlier estimates performed at lower frequencies. As the observing frequency increases regions are imaged at closer proximity to the jet spine. Therefore, these results point towards a transversal velocity gradient within both jets. The images from this study were used as input information for relativistic hydrodynamic simulations of the relativistic jets in NGC1052. The simulations favor a scenario in which a slightly over-pressured jet, resulting from a pressure-mismatch between the jet and the ambient medium at the nozzle, penetrates into a decreasing-pressure ambient medium. A molecular torus has been included in the simulations to account for thermal absorption. Based on the simulation results the torus particle number density is estimated within the range 0.7–1.0×10^22 cm^−2 . This numerical estimate is consistent with estimates from X-ray and radio observations. In addition, multi-frequency VLBI studies from 1.5 GHz to 86 GHz trace the absorbing effect of this torus, which covers large parts of the western, receding jet. It results in an emission gap between both jets whose size decreases with increasing frequency. Observations and simulations draw a consistent picture of the frequency-dependent thermal absorption of the non-thermal particles in the jet due to the optically thick structure. The torus only has a very small impact on the 43 GHz emission (and higher frequencies). Both jets are extremely straight and unresolved, however, there is a slight change in the western jet direction at about 2 milliarcseconds, which cannot be observed in the eastern jet. This kind of structure can only be explained by asymmetries, intrinsic to the jet or arising from interactions with the ambient medium.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Aktive Galaktische Kerne (AGK) gehören zu den energetischten Quellen unseres Universums. Ein großer Teil dieser kann über das gesamte elektro-magnetische Spektrum hinweg beobachtet werden. Historisch hat sich ein Zoo verschiedenster AGK Typen entwickelt, welche sich aufgrund ihrer unterschiedlichen, beobachtbaren Eigenschaften differenzieren lassen. Diese Unterarten können innerhalb eines einheitlichen Modells beschrieben werden. Einige dieser Quellen zeigen relativistische Materieströme, welche Jets genannt werden. Das Standardmodel geht davon aus, dass beide Jets eine intrinsische Symmetrie haben. Um die physikalischen Grundgesetze zu verstehen, die AGKs antreiben, ist die höchste erreichbare Auflösung unabdingbar. Dies kann durch Radio-interferometrische Beobachtungen erreicht werden. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden die physikalischen Prozesse untersucht, welche für die Erzeugung und Kollimation von Jets verantwortlich sind. Dies geschieht anhand von Beobachtungen der doppelseitigen, relativistischen Jets der aktiven Galaxie NGC1052 mittels sehr langer Basislinieninterferometrie (VLBI) bei Wellenlängen von Zentimetern und Millimetern. Aufgrund der geringen Entfernung von 20 MPc, ist es möglich lineare Skalen von wenigen hundert Schwarzschild Radien mittels mm-VLBI zu untersuchen. Da die Jets in NGC1052 nahezu innerhalb der Himmelsebene liegen, ist es die ideale Quelle um das Symmetrie-Paradigma, wie es vom vereinheitlichten Modell vorgeschlagen wird, genauer zu studieren. Diese Arbeit ist wie folgt organisiert. Die ersten beiden Kapitel geben eine Einführung in unser aktuelles Verständnis von AGKs und der Erzeugung und Kollimation ihrer Jets, sowie einen Überblick über die VLBI Technik. In den Kapitel 3 bis 5 werde ich meine Analysen und Ergebnisse der Multi-Frequenz und Multi-Epochen Beobachtungen präsentieren. Kapitel 6 gibt eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse der Arbeit und stellt sie in einen allgemeinen Kontext. Detailliertere Informationen bezüglich der Datenanalyse, welche im Haupttext präsentiert wird, wird in Form von Tabellen und Grafiken in den Anhängen A und B zur Verfügung gestellt. Im Zuge dieser Arbeit habe ich mehrere Python Skripte für die Kalibration und die Analyse der Beobachtungen entwickelt, welche in Anhang C näher beschrieben sind. Im folgenden gebe ich einen kurzen Überblick über die Hauptergebnisse dieser Dissertation. Beobachtungen von NGC 1052 bei 22 GHz und 43 GHz über vier Jahre weisen auf eine intrinsische Asymmetrie zwischen den beiden sich nach Osten und Westen entwickelnden Jets hin. Mittels einer Analyse der Geschwindigkeiten der Materieströme in den 43 GHz Karten wurde festgestellt, dass der östliche Jet signifikant schneller ist als der Westliche. Im Vergleich mit früheren Berechnungen bei niedrigeren Frequenzen sind beide Jets schneller. Da Beobachtungen bei höheren Frequenzen Regionen im Jet abbilden, welche weiter innen liegen, deutet dies auf einen transversalen Geschwindigkeitsgradienten hin. Die Bilder, welche aus diesen Beobachtungen resultieren, wurden als Eingangsgröße für speziell-relativistische Hydro-dynamische Simulationen verwendet, mit dem Ziel die relativistischen Jets in NGC1052 nachzubilden. Als Ergebnis der Simulationen wird ein Szenario favorisiert, in welchem die Jets einen leichten Überdruck haben und durch ein Medium wandern,welches einen abfallenden Druckgradienten aufweist. Ein Überdruck bedeutet hierbei, dass der Druck am Entstehungspunkt des Jets höher ist als in dem ihn umgebenden Medium. Ein molekularer Torus wurde in die Simulationen einbezogen um thermische Absorption einzubeziehen. Unter Berücksichtigung der Simulationsergebnisse übereinstimmen die berechneten Teilchendichten von 0.7–1.0×10^22 cm^−2 mit Abschätzungen aus Röntgen und Radio Beobachtungen. Des weiteren wurden mittels VLBI Beobachtungen bei Frequenzen zwischen 1.5 GHz und 86 GHz die Absorptionseigenschaften des Torus untersucht, welcher große Teile des westlichen, sich von uns weg bewegenden Jets, überdeckt. Das Resultat ist eine Emissionslücke zwischen beiden Jets, deren Größe mit höherer Beobachtungsfrequenz kleiner wird. Sowohl Beobachtungen, als auch Simulationen, zeichnen ein konsistentes Bild einer frequenzabhängigen Absorption der nicht-thermischen Jet Teilchen in einer optisch dicken, zirkularen Struktur. Beide Jets sind extrem gerade und unaufgelöst, wobei eine kleine Änderung der Jet Richtung bei ungefähr 2 Millibogensekunden im westlichen Jet beobachtet werden kann, welche im östlichen Jet nicht zu sehen ist. Diese Art von Struktur kann nur durch Asymmetrien erklärt werden, welche entweder intrinsisch im Jet vorkommen oder vom umgebenden Medium herrühren.

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