Universität zu Köln

Karouzos, Marios (2010). A multi-wavelength study of the evolution and pc-scale jet kinematics of active galaxies. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Active galaxies have been in the forefront of astronomic research since their first discovery, at least 50 years ago . The putative supermassive black hole (SMBH) at their center characterizes their properties and regulates the evolution of these objects. I investigate the evolution of active galactic nuclei (AGN) in the context of a merger-driven evolution scheme. Under this assumption, galaxy mergers trigger activity in galaxies, both in the form of intense star-formation, as well as nuclear activity. This investigation uses the Caltech-Jodrell Bank flat-spectrum (CJF) sample, a statistically complete sample of compact, radio-loud AGN. I find evidence supporting the merger-driven evolution scheme of AGN, exhibiting the relevance of merger events in active galaxies. In particular, almost 30% of the CJF sources in the local Universe (z<0.4) show evidence of recent past, present, or possible future mergers. This is important in light of the unbiased selection effects of the CJF sample. In addition, I find a broken correlation between the near-infrared luminosity of the CJF sources and their total radio luminosity at 5 GHz. Low luminosity sources show an excess of near-infrared emission, compared to their high luminosity counterparts. A correlation between near-infrared colors and multiwavelength variability is also found. Finally, I trace the different stages of AGN evolution by selecting individual sources that fit the respective selection criteria, finding 14 promising candidates for binary black hole (BBH) systems in the CJF. One of the most prominent constituents of radio-loud active galaxies are their radio jets. The morphology, properties, and evolution of the CJF jet ridge lines are studied, in light of a recently revisited kinematic paradigm for BL Lac objects. Different measures for the width, the width evolution, the linear evolution, and the curvature of the jet ridge lines are developed and a statistical analysis of the whole sample on that basis is conducted. BL Lac objects are found to have substantially wider jets than quasars. They are also found to show larger changes in their widths, but significantly weaker linear evolution of their jet ridge lines. We find indications of active evolution of the jet length and linear evolution with time (as a function of redshift). An envelope is found confining a correlation between the total linear evolution of the CJF jet ridge lines and the radio luminosity of the corresponding sources. The above results are explained in terms of the combination of helical structure for AGN jets and projection effects. Coupled to the kinematics of the AGN jets is the emission of gamma-ray radiation. In light of the excellent quality of kinematic data available for the CJF, as well as the wealth of new gamma-ray information provided by the Fermi-LAT program, I investigate the gamma-ray properties of the CJF sample, in terms of their jet kinematics and properties. I find that gamma-ray detected sources show on average higher apparent velocities than their non-detected counterparts. I note however the existence of a low-velocity population of gamma-ray detected CJF sources, that put the argument of beaming as the source of gamma-ray photons under debate. I study a possible correlation between the gamma-ray detection of CJF sources, their luminosity, and their jet morphology. I find a correlation between the gamma-ray luminosity and the maximum apparent jet speed for the gamma-detected CJF sources. The correlation is stronger for variable sources and for those identified as BL Lacs. I find that gamma-detected sources show substantially wider jet ridge lines, with stronger evolution of their widths compared to non-detected sources. I find no significant difference between gamma-detected and non-detected sources concerning the linear evolution of their jet ridge lines. The absence of a strong correlation between gamma-ray properties of the CJF sources and their kinematics is interpreted in the context of a spine-sheath geometry of AGN jet, where, at the low observing frequency used for the CJF, only the slow outer sheath of the jet is uncovered. gamma-ray emission is assumed to originate in the ultra-relativistic spine of AGN jets.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aktive Galaxien zaehlen seit ihrer Entdeckung vor einigen Jahrzehnten zu den fuehrenden Themen astronomischer Forschung. Das vermeintlich superschwere schwarze Loch (SMBH) in ihrem Zentrum charakterisiert ihre Eigenschaften und bestimmt die Entwicklung dieser Objekte. In dieser Arbeit untersuche ich die Entwicklung von aktiven galaktischen Kernen (AGN) im Rahmen eines auf Galaxienverschmelzungen (sog. 'Merger') basierenden Evolutionsschemas. Unter dieser Annahme erzeugen Galaxienverschmelzungen Aktivitaet in Galaxien sowohl in Form von intensiver Sternentstehung als auch als aktiver Kern. Diese Untersuchung verwendet das Caltech-Jodrell Bank Flat-Spectrum (CJF) Sample, ein statistisch vollstaendiges Sample von kompakten, radiolauten AGN. Ich habe Hinweise gefunden, die das auf Mergern basierende Evolutionsschema unterstuetzen und die Bedeutung von Verschmelzungen fuer aktive Galaxien unterstreichen. Insbesondere zeigen fast 30% der CJF-Quellen im nahen Universum (z<0.4) Anzeichen fuer erst kurz zurueckliegende, gegenwaertige oder moegliche zukuenftige Merger. Das ist wichtig hinsichtlich der erwartungstreuen Auswahleffekte des CJF-Samples. Zusaetzlich finden wir eine unterbrochene Korrelation zwischen der Helligkeit der CJF-Quellen im nahen Infrarotbereich (NIR) und ihrer totalen Radioleuchtkraft bei 5 GHz. Quellen mit geringer Leuchtkraft weisen einen Ueberschuss an Emission im nahen Infrarot auf im Vergleich zu Quellen mit starker Leuchtkraft. Eine Korrelation zwischen NIR-Farben und Multi-Wellenlaengen-Variabilitaet wurde ebenfalls festgestellt. Schliesslich haben wir die unterschiedlichen Stadien der AGN-Entwicklung anhand einiger individueller Quellen verfolgt, die den jeweiligen Auswahlkriterien entsprachen. Dabei fanden wir 14 vielversprechende Kandidaten für Binaere Systeme schwarzer Loecher (BBH) im CJF. Zu den wichtigsten Bestandteilen von radiolauten aktiven Galaxien gehoeren ihre Radiojets. Morphologie, Eigenschaften und Entwicklung der Kammlinie der CFJ-Jets (Jet Ridge Line) wurden im Hinblick auf ein kuerzlich wieder aufgegriffenes Modell fuer BL Lac-Objekte untersucht. Es wurden verschiedene Messtechniken fuer die Breite, die Entwicklung der Breite, die lineare Entwicklung sowie die Kruemmung der Jet Ridge Line entwickelt und darauf basierend eine statistische Analyse des gesamten Samples durchgeführt. BL Lac-Objekte haben wesentlich breitere Jets als Quasare. Sie weisen ausserdem groessere Aenderungen in ihrer Breite auf, aber eine deutlich schwaechere lineare Entwicklung der Jet Ridge Lines.Wir fanden Hinweise auf eine aktive Entwicklung der Jetlaenge und lineare Entwicklung mit der Zeit (als Funktion der Rotverschiebung). Es ergibt sich eine Einschraenkung fuer die Korrelation zwischen der totalen linearen Entwicklung der CJF-Jet Ridge Lines und der Radioleuchtkraft der entsprechenden Quellen. Die obigen Ergebnisse lassen sich als Kombination aus helikaler Struktur von AGN-Jets und Projektionseffekten erklaeren. Verbunden mit der Kinematik von AGN-Jets ist die Emission von Gammastrahlung. Aufgrund der ausgezeichneten Qualitaet der vom CJF erhaeltlichen kinematischen Daten sowie der Vielzahl von neuen Gammastrahlen-Informationen, die aus dem Fermi-LAT-Programm erhaeltlich sind, haben wir die Gammastrahlungs-Eigenschaften des CJF-Samples hinsichtlich ihrer Jet-Kinematik und Jet-Eigenschaften untersucht. Es zeigt sich, dass Quellen, die im Gamma-Bereich detektiert wurden, im Schnitt hoehere scheinbare Geschwindigkeiten aufweisen als nicht-detektierte Quellen. Wir weisen allerdings auf eine bereits im Gamma-Bereich detektierte Population von CJF-Quellen mit niedriger Geschwindigkeit hin, was gegen das Argument spricht, dass 'Beaming' der alleinige Ursprung der Gammastrahlungsphotonen ist. Daher untersuchten wir die Moeglichkeit einer Korrelation zwischen der Detektion von CJF-Quellen im Gammabereich, ihrer Gamma-Leuchtkraft und ihrer Jetmorphologie. Wir fanden eine Korrelation zwischen der Leuchtkraft im Gammabereich und der maximalen scheinbaren Geschwindigkeit der im Gammastrahlenbereich detektierten CJF-Quellen, die staerker ist fuer variable Quellen und fuer solche, die als BL Lacs identifiziert wurden. Weiterhin weisen im Gammabereich detektierte Quellen substantiell breitere und staerker entwickelte Jet Ridge Lines auf im Vergleich zu nicht-detektierten Quellen. Bezueglich der linearen Evolution der Jet Ridge Lines gibt es keine signifikanten Unterschiede zwischen im Gammabereich detektierten und nicht-detektierten Quellen. Das Nichtvorhandensein einer starken Korrelation zwischen den Gammastrahlungseigenschaften und der Jetkinematik der CJF-Quellen wird im Rahmen einer Spine-Sheath-Geometrie des Jets interpretiert: bei niedrigen Beobachtungsfrequenzen, wie sie fuer das CJF-Sample benutzt wurden, wird nur die aeusseren Huelle des Jets sichtbar gemacht. Gammastrahlung stammt aber vermutlich aus den ultra-relativistischen inneren Schichten der AGN-Jets. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Karouzos, Marios mkarouzos@mpifr.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-32891
Date:	2010
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 galaxies, Evolution, Supermassive Binary Black Holes, Jet kinematics, Gamma-ray properties English
Date of oral exam:	24 October 2010
Referee:	Name Academic Title Eckart, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3289