Universität zu Köln

Myserlis, Ioannis (2015). A framework for the study of physical conditions in astrophysical plasmas through radio and optical polarization: Application to extragalactic jets. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Myserlis_I_PhD.pdf Bereitstellung unter der CC-Lizenz: Creative Commons Attribution Share Alike. Download (13MB)

Abstract

This work presents a framework for the study of the physical conditions in astrophysical plasma elements through linear and circular, radio and optical polarization monitoring. The term "framework" is meant to describe the self-consistent character of the work which contains all necessary elements to: 1. Design and conduct high-cadence, multi-frequency polarimetric observations. 2. Reconstruct the Stokes 4-vector of the observed radiation with high accuracy. 3. Interpret polarimetric observations based on the theoretical predictions of several emission, absorption and propagation effects which can generate, modify, or eliminate the Stokes parameters of the radiation. 4. Reproduce the observed characteristics in the complete Stokes parameters set using a radiative transfer code we developed on the basis of the model of Hughes et al. (1989, ApJ, 341, 54). The development of the machinery of this framework was based on data obtained within the F-GAMMA monitoring program. Our polarimetric methodology eliminates a number of sources of uncertainty and is directly applicable to radio telescopes equipped with circularly polarized feeds. Using this methodology we recovered the polarization characteristics for a sample of 87 AGNs at 4 bands: 2.64, 4.85, 8.35 and 10.45 GHz. Our analysis focuses on observations conducted with the 100-m Effelsberg telescope between July 2010 and January 2015 with a mean cadence of 1.6 months. We used these datasets to characterize the observed sample in terms of linear and circular radio polarization. The computed polarization parameters were subsequently used as the basis for the computation of the magnetic field strength of those jets and the rotation measure which is attributed to the low energy magnetized plasma located in regions where the radiation is emitted or propagated through. The theoretical predictions for the emission, absorption and propagation of radiation were used to perform a thorough correlation analysis between several observed characteristics in order to investigate the physical conditions of the emitting plasma elements. Multi-frequency, high cadence observations are essential in the study of the pronounced variability these sources usually show. This variability was found to follow repeating patterns in the Fν–ν domain for many sources, a prototype of which is the blazar 3C454.3. In many cases, these patterns agree with the predictions of the "shock-in-jet" model (Marscher and Gear, 1985, ApJ, 298, 114) which attributes them to the evolution of physical conditions at shocked regions as they propagate downstream the jet. Our results showed coordinated changes of the polarization characteristics which mark the transitions between the optically thick and thin regimes of synchrotron emission. Assuming that these transitions are due to the optical depth evolution of the propagated shocks, we used our radiative transfer code to emulate them and reproduce the variability observed in all Stokes parameters in the case of the prototype source 3C 454.3. We followed the strict requirement to reproduce this variability just by evolving the physical characteristics of the emitting region according to the predictions of the "shock-in-jet" model. This approach resulted in a number of estimates for the physical conditions of this jet, like its particle number density, magnetic field coherence length and Doppler factor. Finally, we characterized our sample in terms of optical linear polarization using the data obtained with the RoboPol monitoring program between May 2013 and July 2015. The comparison of those partially simultaneous, radio and optical polarization datasets did not show any correlation between the two bands, suggesting that the physical conditions at the two emission sites are different. We detected 60 EVPA rotation events in the examined radio bands, that occurred in 22 sources of our sample, 6 of which have also shown such events in the optical wavelengths. Assuming that these rotations are caused by the helical motion of emission elements propagating downstream the jet, we used the rotation rates and the linear polarization degree measurements in both the radio and optical bands to compare the (tangential) velocities and hence the kinetic energies of those emission elements while they are propagating through the radio and optical emission sites in the jet. This thesis is structured as follows; In Chapter 1 we give a brief overview of the AGN structure and the theoretical predictions for the polarization properties necessary throughout the rest of the thesis. In Chapters 2 and 3 we describe the machinery of our framework used to extract and calibrate all the Stokes parameters for radio telescopes equipped with circularly polarized feeds. In Chapter 4 we characterize the linear and circular radio polarization properties of our sample of AGNs. Those are later used to calculate other physical parameters at the emission or propagation regions and to perform a correlation analysis investigating the underlying physical mechanisms. In Chapter 5 we describe our radiative transfer code and its application on the radio polarimetric data of 3C 454.3 to reproduce the observed variability and extract a number of its physical parameters. In Chapter 6 we characterize the optical polarization properties of our sample, correlate them with the ones found in the radio bands and use the combined information to compare the physical conditions in the two emission sites in the jet. Finally, in Chapter 7, we summarize the results and conclusions reached throughout this thesis.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit präsentiert ein Rahmenwerk zur Studie physikalischer Zustände in astrophysikalischen Plasmaelementen durch die langfristige Beobachtung linearer und zirkularer Polarisation im Radio- und optischen Wellenlängenbereich. Der Begriff “Rahmenwerk” soll hierbei den selbstkonsistenten Charakter dieser Arbeit verdeutlichen, welche alle nötigen Ele- mente enthält um: 1. Polarisationsmessungen in mehreren Frequenzbändern mit hoher Beobachtungsrate zu konzipieren und durchzuführen; 2. Den Stokes-4-Vektor der beobachteten Strahlung mit hoher Genauigkeit zu rekonstruieren; 3. Polarisationsdaten basierend auf den theoretischen Vorhersagen verschiedener Emissions-, Absorptions-, und Ausbreitungsmechanismen zu interpretieren, welche die Stokes-Parameter generieren, modifizieren oder auslöschen können; 4. Die beobachteten Charakteristika des vollständigen Stokes-Vektors mittels eine Strahlungstransfer-Codes zu reproduzieren, welcher auf der Basis des Models von Hughes et al. (1989, ApJ, 341, 54) im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Die Basis zur Entwicklung der Methodik dieses Rahmenwerks bilden Daten, die als Teil des F-GAMMA Beobachtungsprogramms gemessen wurden. Die hier beschriebene Methodik eliminiert eine Reihe von Fehlerquellen und lässt sich direkt auf beliebige Radioteleskope anwenden, welche mit zirkular polarisiertem Feed ausgerüstet sind. Durch die Anwendung dieser Methode wurden die Polarisationscharakteristika von 87 aktiven Galaxienkernen in vier Frequenzbändern rekonstruiert: 2,64, 4,85, 8,35 und 10,45 GHz. Die entsprechenden Daten wurden mit dem Effelsberg-100m-Teleskop zwischen Juli 2010 und Januar 2015 mit einer mittleren Wiederholungsrate von 1,6 Monaten gemessen. Basierend auf diesen Daten wurden die linearen und zirkularen Polarisationszustände der Objekte in der Stichprobe untersucht. Die erhaltenen Polarisationsparameter wurden daraufhin verwendet, um die magnetische Feldstärke dieser Jets zu errechnen sowie das Rotationsmaç, welches auf das niedrigenergetische, magnetisierte Plasma zurückzuführen ist, welches sich in den Regionen befindet, in denen die Strahlung erzeugt oder durch diese transmittiert wird. Theoretische Vorhersagen über die Emission, Absorption und Transmission wurden verwendet, um verschiedene Kombinationen von gemessenen Grössen auf Korrelationen zu untersuchen, um Rückschlüsse auf das emittierende Plasmaelement zu ziehen. Wiederholte Beobachtungen in mehreren Frequenzbändern in kurzen Zeitintervallen sind nötig, um die ausgeprägte Variabilität, die diese Objekte typischerweise zeigen, untersuchen zu können. Es ist bekannt, dass diese Variabilität einem wiederholenden Muster im Fν–ν-Raum folgt. Blazar 3C 454.3 ist hierfür ein Prototyp. In vielen Fällen stimmt dieses Muster mit den Vorhersagens des "shock-in-jet"-Modells (Marscher and Gear, 1985) überein, welches dieses auf die Entwicklung des physikalischen Zustandes der schockkomprimierten Region zurück- führt, während diese durch den Jet propagiert. Hier präsentierte Resultate zeigen schematische Änderungen des Polarisationszustandes, welche den Übergang von der optisch dicken zur op- tisch dünnen Synchrotronemission darstellen. Unter der Annahme, dass diese Übergänge durch die Änderung der optischen Tiefe des propagierenden Schocks beschrieben werden können, wurde für das Objekt 3C 454.3 ein Strahlungstransfer-Code angewendet, um die beobachtete Variation in allen vier Stokes-Parametern nachzubilden. Hierbei wurde der strikten Bedingung Folge geleistet, dass die beobachtete Variation lediglich aus der Entwicklung der physikalischen Charakteristika der Emissionsregion resultiert, gemäss den Vorhersagen des "shock-in- jet"-Modells. Aus diesem Ansatz resultiert die Schätzung einer Reihe von physikalischen Parametern, darunter die Partikelanzahldichte, die Kohärenzlänge des magnetischen Feldes und der Dopplerfaktor des Jets. Des Weiteren wurde die lineare Polarisation im optischen Frequenzbereich der gesamten Objektstichprobe untersucht, basierend auf den Daten, die im Rahmen des RoboPol Beobachtungsprogramms zwischen May 2013 und Juli 2015 gemessen wurden. Der Vergleich der zum Teil zeitgleichen Daten im optischen und im Radiobereich zeigte keinerlei Korrelation zwischen den zwei Frequenzbändern. Dies deutet darauf, dass die physikalischen Bedingungen in den zwei Emissionsregionen verschieden sind. Insgesamt 60 EVPA-Rotationen wurden in den untersuchten Frequenzbändern beobachtet. Diese traten in 22 Objekten aus der gesamten Stichprobe auf, sechs davon zeigten ebenfalls Rotationen im optischen Wellenlängenbereich. Unter der Annahme, dass diese Rotationen aus der Bewegung von spiralförmig durch den Jet propagierenden Emissionselementen resultiert, wurden die Rotationsraten und der lineare Polarisationsgrad in beiden Frequenzbereichen verwendet, um die (tangentialen) Geschwindigkeiten und somit die kinetische Energie der Emissionselemente zu vergleichen, während diese durch das Radio- bzw. optische Emissionsgebiet propagieren. Diese Arbeit gliedert sich wie folgt: Kapitel 1 gibt eine kurze Einleitung in die Struktur von aktiven Galaxienkernen und theoretische Vorhersagen über die Polarisationseigenschaften, die in der weiteren Arbeit benötigt werden. In den Kapiteln 2 und 3 wird die Methodologie zur Kalibrierung und Messung von Stokes-Parametern für mit zirkular polarisierten Feeds ausgestattete Radioteleskope beschrieben. In Kapitel 4 werden die linearen und zirkularen Polarisationseigenschaften der untersuchten Stichprobe von aktiven Galaxienkernen charakterisiert. Diese Ergebnisse werden dann verwendet, um zum einen weitere physikalische Parameter der Emissionsregion abzuleiten, zum anderen mittels Korrelationsanalyse die grundlegenden physikalischen Mechanismen zu untersuchen. In Kapitel 5 wird der Strahlungstransfer-Code beschrieben und auf die polarimetrischen Daten von 3C 454.3 angewandt, um die beobachtete Variabilität zu rekonstruieren und daraus verschiedene physikalische Parameter abzuleiten. Die optischen Polarisationseigenschaften der untersuchten Stichprobe von Objekten werden in Kapitel 6 untersucht und mit den entsprechenden Radiopolarisationsdaten korreliert, um die physikalischen Bedingungen der beiden Emissionsregionen im Jet, verantwortlich für die optische und die Radio-Emission, zu vergleichen. Zuletzt werden die Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieser Arbeit in Kapitel 7 zusammengefasst. German Η εργασία αυτή παρουσιάζει ένα πλαίσιο για τη μελέτη των φυσικών συνθηκών σε αστροφυσικά στοιχεία πλάσματος χρησιμοποιώντας την παρακολούθηση της γραμμικής και κυκλικής πόλωσής τους στα ραδιοκύματα και τα οπτικά μήκη κύματος. Ο όρος «πλαίσιο» χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον αυτο-συνεπή χαρακτήρα της εργασίας, η οποία περιέχει όλα τα αναγκαία στοιχεία για: 1. Το σχεδιασμό και τη διεξαγωγή πολωσιμετρικών παρατηρήσεων υψηλού ρυθμού και πολλαπλών συχνοτήτων . 2. Την ανασυγκρότηση του τετρα-διανύσματος Stokes της παρατηρούμενης ακτινοβολίας με υψηλή ακρίβεια. 3. Την ερμηνεία των πολωσιμετρικών παρατηρήσεων με βάση τις θεωρητικές προβλέψεις των διαφόρων μηχανισμών εκπομπής, απορρόφησης και διάδοσης ακτινοβολίας που μπορούν να δημιουργήσουν, να τροποποιήσουν, ή να εξαλείψουν τις παραμέτρους Stokes της ακτινοβολίας. 4. Την αναπαραγωγή των παρατηρούμενων χαρακτηριστικών στε όλες τις παραμέτρους Stokes με τη χρήση ενός κώδικα για τη διάδοση ακτινοβολίας που αναπτύχθηκε με βάση το μοντέλο του Hughes et al. (1989, APJ, 341, 54). Η ανάπτυξη του πλαισίου αυτού βασίστηκε σε δεδομένα που ελήφθησαν στο πλαίσιο του προγράμματος παρακολούθησης F-GAMMA. H πολωσιμετρική μεθοδολογία μας εξαλείφει μια σειρά από πηγές αβεβαιότητας και είναι άμεσα εφαρμόσιμη σε ραδιοτηλεσκόπια εξοπλισμένα με κυκλικά πολωμένους δέκτες. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μεθοδολογία, μελετήσαμε τα χαρακτηριστικά πόλωσης ενός δείγματος από 87 ενεργούς πυρήνες γαλαξιών σε 4 συχνότητες: 2.64, 4.85, 8.35 και 10.45 GHz. Η ανάλυσή μας επικεντρώνεται σε παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το 100-m ραδιοτηλεσκόπιο Effelsberg μεταξύ Ιουλίου του 2010 και Ιανουαρίου του 2015 με μέσο ρυθμό τους 1.6 μήνες. Χρησιμοποιήσαμε αυτά τα δεδομένα για να χαρακτηρίσουμε το δείγμα που παρατηρήθηκε από την άποψη της γραμμικής και κυκλικής πόλωσης στα ραδιοκύματα. Έπειτα, οι υπολογισμένες παράμετροι πόλωσης χρησιμοποιήθηκαν ως βάση για τον υπολογισμό του μαγνητικού πεδίου αυτών των τζετ (jet) και του μέτρου περιστροφής (rotation measure) που οφείλεται στην παρουσία μαγνητισμένου πλάσματος χαμηλής ενέργειας σε περιοχές όπου η ακτινοβολία που εκπέμπεται ή διαδίδεται. Οι θεωρητικές προβλέψεις για την εκπομπή, απορρόφηση και διάδοση της ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν για μια ενδελεχή ανάλυση των συσχέτιων μεταξύ πολλών παρατηρούμενων χαρακτηριστικών, προκειμένου να διερευνήθουν οι φυσικές συνθήκες των στοιχείων πλάσματος που εκπέμπουν την ακτινοβολία. Παρατηρήσεις πολλαπλών συχνοτήτων και υψηλού ρυθμού είναι απαραίτητες για τη μελέτη της έντονης μεταβλητότητας που παρουσιάζουν συνήθως οι πηγές αυτές. Αυτή η μεταβλητότητα βρέθηκε ότι ακολουθεί επαναλαμβανόμενα μοτίβα στο χώρο πυκνότητα ροής-συχνότητα (Fν-ν) για πολλές πηγές, μεταξύ των οποίων και το μπλέιζαρ (blazar) 3C 454.3. Σε πολλές περιπτώσεις, τα μοτίβα αυτά συμφωνούν με τις προβλέψεις του μοντέλου “shock-in-jet" (Marscher και Gear, 1985, APJ, 298, 114), το οποίο τα αποδίδει στην εξέλιξη των φυσικών συνθηκών σε κρουστικά μέτωπα (shocks) καθώς αυτά διαδίδονται μέσα στο jet. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν επίσης τις συντονισμένες αλλαγές των χαρακτηριστικών πόλωσης που σηματοδοτούν τις μεταβάσεις μεταξύ της εκπομπής σύγχροτρον υψηλού και χαμηλού οπτικού βάθους. Υποθέτοντας ότι αυτές οι μεταβάσεις συμβαίνουν λόγω της εξέλιξης του οπτικού βάθους των κρουστικών μετώπων, χρησιμοποιήσαμε τον κώδικα διάδοσης ακτινοβολίας για να τα μοντελοποιήσουμε και να αναπαράγουμε τη μεταβλητότητα που παρατηρείται σε όλες τις παραμέτρους Stokes στην περίπτωση του blazar 3C 454.3. Ακολουθήσαμε την αυστηρή προϋπόθεση να αναπαράγουμε την μεταβλητότητα εξελίσσοντας τις φυσικές συνθήκες στις περιοχες εκπομπής, σύμφωνα με τις προβλέψεις του μοντέλου “shock-in-jet". Αυτή η προσέγγιση οδήγησε σε μια σειρά από εκτιμήσεις για τις φυσικές συνθήκες του jet, όπως την αριθμητική πυκνότητα των σωματιδίων του, το μήκος συνοχής (coherence length) του μαγνητικού πεδίου και τον παράγοντα Ντόπλερ (Doppler). Τέλος, χαρακτηρίσαμε το δείγμα μας από την άποψη της οπτικής γραμμικής πόλωσης χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που ελήφθησαν με το πρόγραμμα παρακολούθησης RoboPol μεταξύ Μαΐου 2013 και Ιουλίου 2015. Η σύγκριση αυτών των μερικώς ταυτόχρονων, ραδιοφωνικών και οπτικών δεδομένων πόλωσης δεν έδειξε κάποια συσχέτιση μεταξύ τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι φυσικές συνθήκες στις δύο περιοχές εκπομπής είναι διαφορετικές. Εντοπίσαμε 60 περιστροφές του επιπέδου πόλωσης (EVPA rotations) στις εξεταζόμενες ραδιοσυχνότητες, που σημειώθηκαν σε 22 πηγές του δείγματός μας, 6 εκ των οποίων έχουν επίσης δείξει τέτοια γεγονότα στα οπτικά μήκη κύματος. Υποθέτοντας ότι αυτές οι περιστροφές προκαλούνται από την ελικοειδή κίνηση των στοιχείων εκπομπής μέσα στο jet, χρησιμοποιήσαμε το ρυθμό περιστροφής και τις μετρήσεις του ποσοστού γραμμικής πόλωσης τόσο στα ραδιόκύματα όσο και στα οπτικά μήκη κύματος για να συγκρίνουμε τις (εφαπτομενικές) ταχύτητες και συνεπώς τις κινητικές ενέργειες των στοιχείων εκπομπής, καθώς περνάνε από τις περιοχές εκπομπής των ραδιοκυμάτων και της οπτικής ακτινοβολίας μέσα στο jet. Αυτή η διατριβή είναι δομημένη ως εξής: Στο κεφάλαιο 1 δίνουμε μια σύντομη επισκόπηση της δομής των ενεργών πυρήνων γαλαξιών και των θεωρητικών προβλέψεων για τις ιδιότητες πόλωσης που είναι απαραίτητες σε όλο το υπόλοιπο της διατριβής. Στα κεφάλαια 2 και 3 περιγράφουμε τη μεθοδογία που αναπτύξαμε για την εξαγωγή και τη βαθμονόμηση όλων των παραμέτρων Stokes παρατηρούμενων με ραδιοτηλεσκόπια που είναι εξοπλισμένα με κυκλικά πολωμένους δέκτες. Στο Κεφάλαιο 4 χαρακτηρίζουμε τις ιδιότητες γαμμικής και κυκλικής πόλωσης του δείγματος μας στα ραδιοκύματα. Αυτές χρησιμοποιούνται αργότερα για τον υπολογισμό άλλες φυσικών παραμέτρων στις περιοχές εκπομπής ή διάδοσης ακτινοβολίας όπως επίσης και για να εκτελέστει μια ανάλυση συσχετίσεων για τη διερεύνηση των υποκείμενων φυσικών μηχανισμών. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφουμε τον κώδικα διάδοσης ακτινοβολίας και την εφαρμογή του στα πολωσιμετρικά δεδομένα της πηγής 3C 454.3 στα ραδιοκύματα ώστε να αναπαραχθεί η παρατηρούμενη μεταβλητότητα και να εξαχθούν μια σειρά από φυσικές συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 6 χαρακτηρίζουμε τις ιδιότητες οπτικής γραμμικής πόλωσης του δείγματός μας, τις συσχετιζουμε με τις αντίστοιχες στα ραδιοκύματα και χρησιμοποιούμε τις συνδυασμένες πληροφορίες για να συγκρίνουν τις φυσικές συνθήκες στις δύο περιοχές εκπομπής του jet. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7, συνοψίζουμε τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε με τη διατριβή αυτή. Greek, Modern (1453-)
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Myserlis, Ioannis imyserlis@mpifr-bonn.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-69676
Date:	17 August 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:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Extragalactic astrophysics, AGN, active galaxies, blazars, jets, quasars, linear polarization, circular polarization, 3C 454.3, F-GAMMA, radiation processes, non-thermal, radio astrophysics English
Date of oral exam:	30 October 2015
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr. Zensus, J. Anton Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6967