Universität zu Köln

Schinzel, Frank (2011). Physics and Kinematics of the Parsec Scale Jet of the Quasar 3C345. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The quasar 3C 345 is one of the archetypical examples of an active galactic nucleus (AGN) featuring a complex parsec-scale jet with a pronounced helical morphology and a range of distinct emitting regions moving at apparent superluminal speeds. The thesis at hand presents results from a study of the long-term jet evolution, with a particular focus on the evolution of trajectories, kinematics, and emission in more than 20 distinct regions embedded in the jet over a period of over 30 years. Unique insights into the longterm evolution of the parsec-scale radio emission were gained from the formation of an unprecedented database comprising over 300 archival and new observations. The effect of frequency dependent opacity has been investigated, providing evidence for position variability of the observed origin of the jet, relating to changes in the viewing angle and to the activity state of the jet. A ”closeup” on physical properties of individual features implied that shocks dissipate at distances of about 2 mas (150 pc de-projected distance) and the outer jet is most likely dominated by Kelvin-Helmholtz instabilities. Studies of general trends in properties of those features provide certain evidence for their apparent trajectories to result from an underlying (slowly evolving) pattern lit up by passages of plasma condensations ejected during high activity states. The longterm evolution of this pattern indicates its possible relation to the elliptical mode of Kelvin-Helmholtz instability. In the present work, special attention is paid to the onset of a new period of high activity in the source that began in 2008, which has been observed from radio through gamma-rays. The relation between the radio/optical emission and the production of high energy photons in 3C 345 has been investigated. This provided the first identification of gamma-ray emission from 3C 345 and the nearby quasar NRAO 512. Observations with the Very Long Baseline Array (VLBA) reveal morphology and kinematics of the flow on scales of up to approximately 5 mas (de-projected linear distances of 380 pc). Evolution of the gamma-ray, optical, and parsec-scale radio emission indicated similar physical origins based on long-term trends and on a shock-shock interaction scenario for short events. All short gamma-ray events are explained in a single framework, directly connecting moving features observed in the radio jet with high energy emission. The observations indicate that both the quiescent and flaring components of the gamma-ray emission are produced in a region of the jet of about 25 pc in extent. This region marks the Compton-loss dominated zone of the flow and its large extent may favor the synchrotron self-Compton mechanism for gamma-ray production in the relativistic jet of the quasar 3C 345.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Physik und Kinematik des Jets des Quasars 3C345 auf Parsecskalen German
Translated abstract:	Abstract Language Der Quasar 3C 345 ist einer der urtypischsten Vertreter eines aktiven galaktischen Kerns (AGN). Seine Eigenschaften lassen sich besonders gut auf Skalen in der astronomischen Längenmaßeinheit Parsec erkennen. Auf solchen Parsec-Skalen besitzt der Quasar einen komplexen “Jet” (Teilchenstrahl) mit einer ausgeprägten spiralförmigen Struktur und einer Reihe von klar unterteilten, elektromagnetische Strahlung aussendenden Regionen, die sich scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Die vorliegende Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Untersuchung der Langzeitentwicklung des Jets des Quasars 3C 345, mit besonderem Augenmerk auf die Entwicklung der Trajektorien (Bahnkurven) sowie der Kinematik und Emission von mehr als 20 im Jet eingebetteten, ausgeprägten Regionen. Die Erstellung einer noch nie dagewesenen Datenbank von VLBI-Beobachtungen, bestehend aus über 300 Archiv- und teilweise selbst vorgenommenen Neubeobachtungen die zusammen eine Zeitspanne von über 30 Jahren umfassen. Dies ermöglichte einmalige Einblicke in die Langzeitentwicklung der Radioemissionen auf Parsec-Skalen. Der Effekt der frequenzabhängigen Opazität (Durchlässigkeit) wurde erforscht. Er weist auf Anzeichen für eine scheinbare zeitliche Veränderlichkeit der Position des Jet-ursprungspunktes hin, die mit einer Änderung des Sichtwinkels und des Aktivitätszustandes des Jets im Zusammenhang steht. Ein näherer Blick auf die physikalischen Eigenschaften einzelner herausragender Regionen deutete an, dass Schocks auf Distanzen von ungefähr 2 Millibogensekunden (150 Parsec de-projezierte Entfernung) sich aufzulösen beginnen und dass der äußere Jet sehr wahrscheinlich von Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten dominiert wird. Untersuchungen des allgemeinen Trends dieser Regionen lieferten sichere Beweise für ein sich langsam entwickelndes Muster, welches durch Plasmakondensationen – die durch dieses Muster wandern – aufleuchtet. Die Plasmakondensationen werden während der aktiven Phasen des Jets ausgestoßen. Die Langzeitentwicklung des Musters weist auf einen möglichen Zusammenhang mit der elliptischen Mode einer Kelvin-Helmholtz-Instabilität hin. In den Untersuchungen wird besondere Aufmerksamkeit dem Beginn einer neuen Aktivitätsphase der Quelle geschenkt, die im Jahr 2008 begann und die vom Radio- bis zum Gammastrahlenbereich beobachtet wurde. Der Zusammenhang zwischen radio/optischer Emission und der Produktion von hochenergetischen Photonen in 3C 345 wurde erforscht. Dies führte zur ersten Identifikation von Gammastrahlung von 3C 345 und vom benachbarten Quasar NRAO 512. Beobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) zeigten Struktur und Kinematik des Jets auf Skalen bis ungefähr 5 Millibogensekunden (de-projeziert auf eine lineare Distanz von 380 Parsec). Die Entwicklung von Gamma, optischer und Radiostrahlung auf Parsec-Skalen weist darauf hin, dass die Herkunft der Strahlung gleichen physikalischen Ursprungs ist – basierend auf Langzeittrends und eines Schock-Schock Wechselwirkungsszenarios für kurze Ereignisse. Alle kurzen Gammastrahlungsereignisse konnten in einem einzigen Rahmen erklärt werden, welcher die Hochenergiesstrahlung direkt mit wandernden Regionen im Jet verbindet. Die Beobachtungen zeigen, dass beide, der ruhige und der aufleuchtende Anteil der Gammastrahlung, in einer Region des Jets produziert werden, die über eine Distanz von 25 Parsec reicht. Diese Region ist dominiert von Compton-Emissionsstrahlungsverlusten (Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit freien Elektronen) und die Größe dieser Region läßt auf den Synchrotron-selbst-Compton Strahlungsmechanismus für die Produktion von Gammastrahlung im relativistischen Jet von 3C 345 schliessen. Mit der vorliegenden Arbeit soll insgesamt ein weiterer Beitrag zur Verdeutlichung und zum Verständnis der komplexen Zusammenhänge um den besonders betrachtenswerten Quasar 3C 345 geleistet werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schinzel, Frank schinzel@mpifr-bonn.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-44009
Date:	1 August 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language VLBI, active galaxies, multifrequency observations, gamma-ray observations, jet physics/kinematics, Quasars individual 3C345 English VLBI, aktive Galaxien, Multifrequenzbeobachtungen, Gamma-Strahlenbeobachtungen, Jet Physik/Kinematik, Quasare individuell 3C345 German
Date of oral exam:	19 October 2011
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, J. Anton Hon.-Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4400