Universität zu Köln

Paraschos, Georgios Filippos ORCID: 0000-0001-6757-3098 (2022). A comprehensive analysis of the nucleus of the radio source 3C 84 with VLBI. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Jets powered by active galactic nuclei (AGN) are some of most powerful phenomena of the cosmos. Understanding the underlying physical mechanisms is necessary to enhance our knowledge of the universe. The focus of this thesis lies on the innermost region of the radio source 3C 84, harboured in the radio galaxy NGC 1275, which exhibits such energetic jets. Perhaps connected to this jet activity is a perpendicularly to the bulk jet flow oriented structure, which was recently revealed in a RadioAstron space very-long-baseline interferometry (VLBI) image. Interpreting this structure and its implications to jet physics is one of the main motivations of this thesis. It is accomplished by utilising millimetre-VLBI observations of 3C 84 at the highest resolution, with the available data covering a period of more than twenty years and at different frequencies. The thesis is organised as follows: in Sect. 1 an overview of the astrophysical background required to interpret the data is introduced. This includes brief descriptions of the radiation received by the telescopes, of black holes and AGN, as well as of astrophysical jets. AGN classification schemes and the relevant details of jet physics are also discussed. Section 2 offers a review of the technical background, including the basics of the technique of interferometry and VLBI arrays, calibrating a VLBI data set and imaging it. In Sect. 3 we utilise quasi-simultaneous observations at 15, 43, and 86 GHz and create the highest resolution spectral index images of 3C 84 to date. Our analysis reveals the existence of a spectral index gradient in the north-south direction, with values between $\alpha_{43−86} \sim 2$ upstream of the 86 GHz VLBI core and $\alpha_{43−86} \sim -2$ downstream. In this context, we discuss the spectral index distribution. We determine the location of the jet apex to be 400 − 1500 Rs (Schwarzschild radii) upstream of the 86 GHz VLBI core, by means of two-dimensional cross-correlation analysis. In that region, the magnetic field appears to be a mix between poloidal and toroidal, with a strength of 2 − 4 G. Section 4 presents an alternative approach for pinpointing the jet apex of 3C 84, by directly imaging the core region. The temporal stacking of a number of 86 GHz data sets at different epochs confirms the existence of a double component structure present in the core region, concurring the RadioAstron result. Both a conical and a parabolic jet expansion profile are then fit to the data to determine the shape of the expansion. This constrains the position of the jet apex to 200 − 3000 Rs upstream of the 86 GHz VLBI core. Our analysis also reveals a possible change of viewing angle along the jet flow (perhaps indicative of jet bending) and sets an upper limit for the viewing angle of 35 degrees for the inner jet. Section 5 showcases a comprehensive study of the evolution and jet kinematics of 3C 84 over more than twenty years. Our analysis reveals the ejection of numerous components from the core region, which seem to move at subluminal speeds, with newer components being faster. We also checked for possible differences between the velocities of the 43 and 86 GHz components individually but only found marginal evidence of faster motion at 86 GHz. The jet width appears frequency dependent, with the jet width decreasing with in- creasing frequency, which might be explained by stratification in the context of the spine-sheath jet stratification scenario. We also produced spectral in- dex maps at 43 − 86 GHz, which show that the orientation of the spectral index gradient position angle is time variable. This further indicates that the black hole is positioned off-centred from the total intensity maximum and that the jet axis is changing with time. Finally, in Sect. 6 our analysis and results are summarised and in Sect. 7 an outlook for the future is provided.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Astrophysikalische Jets, die von aktiven galaktischen Kernen (AGN) angetrieben werden, sind einige der energischsten Phänomene des Kosmos. Das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen ist notwendig, um unser Wissen über das Universum zu erweitern. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem innersten Bereich der Radioquelle 3C 84, die sich im Kern der Radiogalaxie NGC 1275 befindet und solch energiereiche Jets aufweist. Diese Jet-Aktivität steht möglicherweise im Zusammenhang mit einer senkrecht zur Hauptströmung des Jets orientierten Struktur, die kürzlich in einer RadioAstron Weltraum very-long-baseline interferometry (VLBI) Beobachtung entdeckt wurde. Die Interpretation dieser Struktur und ihre Bedeutung für die Jet-Physik ist die Hauptmotivation dieser Arbeit. Dazu werden Millimeter-VLBI Beobachtungen von 3C 84 mit der höchsten Auflösung über mehr als zwanzig Jahre und bei verschiedenen Frequenzen verwendet. Die Doktorarbeit ist wie folgt aufgebaut: Im Abschnitt 1 wird ein Überblick über den theoretischen Hintergrund gegeben, der zur Interpretation der Daten erforderlich ist. Kurz beschrieben werden die von den Teleskopen empfangene Strahlung und die daraus resultierenden Erkenntnisse zu Schwarzen Löchern und AGN, sowie astrophysikalischen Jets. Außerdem werden AGN-Klassifizierung und relevante Details der Jet-Physik diskutiert. Im Abschnitt 3 nutzen wir quasi-simultane Beobachtungen bei 15, 43 und 86 GHz und erstellen die höchstauflösendsten Spektralindexbilder von 3C 84 bis dato. Unsere Analyse deutet auf die Existenz eines Spektralindexgradien- ten in Nord-Süd-Richtung, mit Werten zwischen α43−86 ∼ 2 stromaufwärts des 86 GHz VLBI-Kerns und α43−86 ∼ −2 stromabwärts. In diesem Zusammenhang diskutieren wir die Spektralindexverteilung. Mit Hilfe einer zweidimensionalen Kreuzkorrelationsanalyse bestimmen wir die Position des Jet-Apex; sie befindet sich 400 − 1500 Rs (Schwarzschild Radii) stromaufwärts vom 86 GHz VLBI-Kern. In dieser Region scheint das Magnetfeld eine Mischung aus poloidalem und toroidalem Feld zu sein, mit einem Wert von 2 − 4 G. Im Abschnitt 4 wird ein alternativer Ansatz vorgestellt, um die Position des Jet-Apex von 3C 84 durch die direkte Abbildung der Kernregion zu lokalisieren. Die zeitliche Stapelung einer Reihe von 86 GHz Datensätzen, beobachtet zu verschiedenen Epochen, bestätigt die Existenz einer Doppelkomponentenstruk- tur in der Kernregion, die mit dem RadioAstron-Ergebnis übereinstimmt. Um die Form der Expansion zu bestimmen, werden die Daten an ein konisches und ein parabolisches Jetexpansionsprofil angepasst. Dadurch wird die Position des Jet-Apex auf 200 − 3000 Rs stromaufwärts des 86 GHz VLBI-Kerns eingegrenzt. Unsere Analyse zeigt auch eine mögliche Änderung des Sichtwinkels entlang des Jet-Flusses (vielleicht ein Hinweis auf eine Jet-Krümmung) und legt eine Obergrenze für den Sichtwinkel von 35 Grad fest. Abschnitt 5 beinhaltet eine umfassende Studie der Entwicklung und Jet- Kinematik von 3C 84 über mehr als zwanzig Jahre. Unsere Analyse zeigt den Ausstoß zahlreicher Komponenten aus der Kernregion, die sich anscheinend mit relativ langsamer Geschwindigkeit bewegen, wobei neuere Komponenten schneller sind. Wir haben auch nach möglichen Unterschieden zwischen den Geschwindigkeiten der 43 und 86 GHz-Komponenten gesucht, fanden aber nur marginale Hinweise für eine schnellere Bewegung bei 86 GHz. Die Jet-Breite scheint frequenzabhängig zu sein, wobei die Jet-Breite mit zunehmender Frequenz abnimmt, was durch eine Schichtung im Zusammenhang mit dem Spine-Sheath Jet-Stratifikationsszenario erklärt werden könnte. Wir haben auch Spektralindexkarten bei 43 − 86 GHz erstellt, die zeigen, dass die Ausrichtung des Positionswinkels des Spektralindexgradienten zeitlich variabel ist und dass sich die Orientierung des inneren Jets mit der Zeit verschiebt. Dies ist ein weit- erer Hinweis darauf, dass das Schwarze Loch nicht in der Mitte des Gesamtintensitätsmaximums liegt. Schließlich, werden im Abschnitt 6 unsere Analyse und Ergebnisse zusammengefasst und im Abschnitt 7 wird ein Ausblick auf noch offene und zukünftig zu behandelnde Fragen gegeben. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Paraschos, Georgios Filippos gfparaschos@mpifr.de orcid.org/0000-0001-6757-3098 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-635548
Date:	30 September 2022
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 galaxies: active English galaxies: jets English galaxies: individual: 3C 84 English galaxies: individual: NGC 1275 English techniques: interferometric English
Date of oral exam:	27 September 2022
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Schilke, Peter Prof. Dr. Zensus, Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/63554