Universität zu Köln

Mertens, Florent (2015). Internal structure and dynamics of extragalactic relativistic jets. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Radio-loud AGN typically manifest powerful relativistic jets extending up to millions of light years and often showing superluminal motions organised in a complex kinematic pattern. A number of physical models are still competing to explain the jet structure and kinematics revealed by radio images using the Very Long Baseline Interferometer (VLBI) technique. Robust measurements of longitudinal and transverse velocity field in the jets would provide crucial information for these models. This is a difficult task, particularly for transversely resolved jets in objects like 3C\,273 and M87. To address this task, we have developed a new wavelet-based image segmentation and evaluation (WISE) technique for identifying significant structural patterns (SSP) of smooth, transversely resolved flows and obtaining a velocity field from cross-correlation of these regions in multi-epoch observations. Detection of individual SSP is performed using the wavelet decomposition and multiscale segmentation of the observed structure. The cross-correlation algorithm combines structural information on different scales of the wavelet decomposition, providing a robust and reliable identification of related SSP in multi-epoch images. A stacked cross correlation (SCC) method is also introduced to recover multiple velocity components from partially overlapping, optically thin emitting regions. Test performed on simulated image of jets revealed excellent performance of WISE. The algorithm enables recovering structural evolution on scales down to 0.25 FWHM of the image point spread function (PSF). It also performs well on sparse or irregular sets of observations, providing robust identification for structural displacements as large as 3 PSF size. on astronomical images by applying it to several image sequences obtained as part of the MOJAVE long-term monitoring program of extragalactic jets with VLBI observations. The particular focus of the analysis was made on prominent radio jets in the quasar 3C\,273 and the radio galaxies 3C\,120 and 3C\,111. Results showed the robustness and fidelity of results obtained from WISE compared with those coming from the ``standard'' procedure of using multiple Gaussian components to represent the observed structure. These tests demonstrated also the excellent efficiency of the method, with WISE analysis taking only a few minutes of computing time to recover the same structural information which required weeks of model fitting efforts. Going beyond global one dimensional kinematic analysis, WISE revealed transverse structure in the the jet of 3C\,273, with three distinct flow lines clearly present inside the jet and evolving in a regular fashion, suggesting a pattern that may rise as a result of Kelvin-Helmholtz (K-H) instability that has previously been detected in this jet. The positional precision of the WISE decomposition was also critical on modeling the helical trajectory of the components in the jet of 3C\,120, revealing an helical surface mode of the K-H instability with an apparent wavelength $\lambda_{\mathrm{app}} = 15.8\,\mathrm{mas}$ and evolving at an apparent speed $\beta^w_{\mathrm{app}} = 2.0\,\mathrm{c}$. We finally present in this thesis the first detailed transverse velocity fields of the jet in M87 on scales of $10^{3} \text{--} 10^{4} r_g$. Its proximity combined with a large mass of the central black hole make it one of the primary source to probe the jet formation and acceleration region. We analyzed 11 epochs of the M87 jet VLBA movie project observed at 3 weeks intervals revealing a structured and stratified flow, compatible with a magnetically launched, accelerated and collimated jet. Based on the structural analysis obtained with WISE, important physical parameters of the flow could be determined. Using the velocity detected in the counter-jet and the intensity ratio between the jet and counter-jet, we estimated the viewing angle $\theta = 18\degree$. Differential velocity in the northern and southern limbs of the flow was explained by the jet rotation consistent with a field line with angular velocity $\Omega \sim 10^{-6} s^ {-1}$ and corresponding to a launching location in the inner part of the accretion disk. The stratification in the flow was unveiled from a SCC analysis that detected a slow mildly relativistic layer ($\beta \sim 0.5 c$) associated either with the instability pattern speed or an outer wind, and a fast accelerating stream line ($\gamma \sim 2.5$). The acceleration of the jet together with the collimation profile of the flow, was successfully modeled by solving the magnetohydrodynamics wind equation, indicating a total specific energy $\mu \sim 6$, and a transition from Poynting to kinetic energy at a distance $z_{eq} \sim 3000 R_s$, in a good agreement with previous analytic and simulation work.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language 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. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Mertens, Florent florent.mertens@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-64319
Date:	9 May 2015
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 Active Galactic Nuclei, Jets, Data analysis method, M87, 3c273, 3c120, 3C111 English
Date of oral exam:	26 June 2015
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, Anton Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6431