Universität zu Köln

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 ~360 days. Episodes of fast variability recur on time scales of ~60-to-70 days. 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 τ = 1 surface on scales <0.27 parsec towards the central black hole.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mit der in dieser Dissertation präsentierten Analyse wird ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Flussdichteausbrüchen im Radio-, optischen und Gammastrahlungsbereich und den darauffolgenden, mit VLBI gesehenen, strukturellen Veränderungen angestrebt. Das Primärziel ist stärkere, durch Beobachtungen gewonnene Einschränkungen für Parameter zu setzen, die für die Synchrotron-Selbst-Compton- und die inverse Compton-Modellierung der Hochenergiestrahlung benötigt werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Kinematik des Jets des BLLac-Objekts S5 0716+714 auf Größenskalen von Parsecs unter Verwendung von mm-VLBI mit einer Winkelauflösung von bis zu ~50μas}. Ziel der hier präsentierten Studie der Breitbandvariabilität ist ein allgemeines physikalisches Szenario zu erhalten, in dem die beobachteten Variationen der Quelle über zahlreiche Größenordnungen von Frequenzen in einen schlüssigen Zusammenhang gebracht werden. Die Multifrequenz-Beobachtungen von S5 0716+714 in kurzen zeitlichen Abständen über 5 Jahre ermöglichen uns den Verlauf der Breitband-Strahlungsausbrüche vom Radiobereich bis zur Gammastrahlung zu studieren. Weiterhin können damit die physikalischen Prozesse, die Position und die Größe der Emissionsregion in dieser Quelle - die ultra-kompakt und als einer der Blazare mit der schnellsten Variabilität bekannt ist - erforscht werden. Die Kombination von Eigenschaften der Breitbandvariabilität mit VLBI-Messungen liefert neue Einblicke in die Kernregion und den Entstehungsbereich des Jets; einen Einblick, der in früheren Studien bei niedrigeren Beobachtungsfrequenz nicht möglich war. Die Korrelation zwischen Gammastrahlungsausbrüchen und der Emission vom Radio- bis zum optischen Bereich wird untersucht, insbesondere die auffälligsten Ausbrüche, die zwischen April 2007 und April 2012 beobachtet wurden. Die zeitliche Entwicklung der Radiospektren (cm und mm Wellenlängen) werden im Kontext des standardmäßigen "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-periodische Variationen, die mit einem Langzeit-Variabilitätstrend auf Zeitskalen von ~360 Tagen überlagert sind. Phasen mit schneller Variabilität wiederholen sich auf Zeitskalen von ~60-70 Tagen. Die starke und simultane Aktivität im optischen und im Gammastrahlungsbereich spricht für den SSC-Mechanismus als Quelle der Hochenergieemission. Die Hochenergieausbrüche (Gammastrahlung - optischer Bereich) pflanzen sich mit Zeitverzögerung von ~65 Tagen bis in den Radiobereich fort. Die Verzögerung ist frequenzabhängig und folgt einem Potenzgesetz mit einem Exponent von ~0.3. Dies deutet darauf hin, dass interne Opazitätseffekte eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Zeitverzögerung zwischen Lichtkurven bei verschiedenen Wellenlängen spielen. Die zeitliche Entwicklung der Ausbrüche im Radiobereich ist konsistent mit der Entstehung eines Schocks und dessen Ausbreitung mit einem Beitrag von geometrischen Veränderungen zusätzlich zu intrinsischen Variationen im Jet. Die Breitband-SED der Quelle kann während verschiedener Zeiträumen mit Strahlungsausbrüchen nicht gut durch ein reines SSC-Modell mit nur einer Emissionszone beschrieben werden, sondern benötigt einen zusätzlichen externen Comptonbeitrag, wobei das externe Strahlungsfeld durch Ly-alpha-Emission der Broad-Line-Region (BLR) dominiert wird. Eine detaillierte Untersuchung des Hochenergiespektrums spricht dafür, dass die BLR, aufgrund von Paarerzeugung, einen starken Einfluss auf den beobachteten Knick im Gammastrahlenspektrum bei einigen wenigen GeV hat. Die Energiedichte dieses externen Strahlungsfelds variiert zwischen 10-6 und 10-5erg cm-3. Das ist um einen Faktor ~1000 niedriger als für einen typischen Quasar erwartet, aber es ist ein plausibler Wert für ein BLLac-Objekt mit wenig Gas (keine Emissionslinien) wie S5 0716+714. Hochfrequente VLBI-Beobachtungen zeigen eine stationäre Struktur bei einer Entfernung von ~0.1 milli-arcsecond vom Kern. Weiter stromabwärts deutet die Bewegung von individuellen Komponenten auf Beschleunigung im Jet hin. Gekrümmte 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 Änderungen 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-Wellenlängen gesehenen VLBI-Kerns hat, also stromaufwärts der τ = 1 Oberfläche auf Größenskalen <0.27 parsec vom zentralen schwarzen Loch. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rani, Bindu brani@mpifr-bonn.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-54731
Date:	14 November 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Active Galactic Nuclei, blazars, jets, gamma-rays, and Very Long Baseline Interferometry English
Date of oral exam:	24 January 2014
Referee:	Name Academic Title Zensus, Anton J. Prof. hon. Dr. Eckart, Andreas Prof. Dr.
Funders:	Max-Planck-Institut fur Radioastronomie Bonn, Germany
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5473