Universität zu Köln

Pötzl, Felix ORCID: 0000-0002-6579-8311 (2021). Space-VLBI studies of the parsec-scale jet in the quasar 3C 345. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Supermassive black holes in the centres of radio-loud active galactic nuclei (AGN) can produce collimated relativistic outflows (jets). Magnetic fields are thought to play a key role in the formation and collimation of these jets, but the details are much debated. Very-long-baseline interferometry (VLBI) is a powerful tool to observe the innermost regions of AGN jets and shed light on the physical processes responsible for the formation, collimation, and the emission in those jets. The main goal of this thesis is to expand the knowledge about AGN with a detailed case study of the archetypical quasar 3C 345 with state-of-the-art high-resolution space-VLBI observations. The flat-spectrum radio quasar 3C 345 was observed over several decades by VLBI, single-dish radio monitoring as well as in X rays and gamma-rays. The curved jet structure and bending of the jet led to proposed helical motions of jet components and possibly a precessing accretion disk as their origin. I study the jet in 3C 345 with RadioAstron, where a VLBI ground-array is complemented by a 10-m radio antenna in space on the Spektr-R spacecraft. This allows me to image the source at an unprecedented resolution of 300 microarcseconds at 1.6 GHz. On the ground, a similar resolution is reached only at 22 GHz. Both total intensity and polarised intensity maps are produced, revealing the complex jet structure in high detail. The electric vector position angles (EVPAs) seems to be aligned with the jet direction. A likely shock-dominated region is identified as the total and polarised intensity peak downstream of the self-absorbed, depolarised VLBI core. A further study of these data in conjunction with a multi-wavelength dataset from ground-based VLBI at 5, 8, 15 and 43 GHz reveals an optically thick core through the steep spectrum, that is visible for all frequencies. The spectral index declines along the jet direction as expected for a self-absorbed jet. The spectral index between 1.6 GHz and 15 GHz, with the highest available resolution, reveals an increase in the spectral index in the peak intensity region, solidifying the shock-type scenario. In addition, I investigate the possible Faraday rotation in the source. A moderately high rotation measure (RM) of several tens up to a hundred radians per square meter is obtained, which appears to change the EVPA direction from parallel to almost perpendicular to the local jet direction around the peak emission region, while it becomes parallel in the core. An increase of the RM is seen going upstream in the jet, which reflects the increase in particle density and magnetic field strength. Interestingly, a flip in sign of the RM along the jet indicates the presence of a poloidal magnetic field component. The study of the frequency-depended shift of the VLBI core reveals that the shift measured from the RadioAstron data is most likely underestimated, and that the overall shift is consistent with an equipartition between particle and magnetic energy density in the core. The derived magnetic field and particle density are consistent with earlier VLBI observations. Comparing the particle density obtained from the core shift and RM hints at an external Faraday screen around the jet being responsible for the observed Faraday rotation. In general, a consequence of the self-calibration procedures in VLBI observations is the loss of the absolute positional information of the source. This is why in these cases, the alignment of images at different frequencies is only possible with the presence of optically thin features in the jet, whose position should not change with frequency. This method is thus prone to systematic uncertainties, which drive the errors in the derived physical parameters of the jets. A solution to this problem are phase referencing (PR) observations. A nearby calibrator is observed in conjunction with the target source to apply the calibrator phase solutions to the target, effectively removing the atmospheric phase errors without the need of self-calibration. With the superior alignment from phase referencing, the core shift can be more reliably estimated in AGN jets. However, PR observations are limited to lower frequencies due to the rapid atmospheric fluctuations at higher frequencies and need close-by, bright calibrators to be available. Observations at higher frequencies can be used to constrain jet parameters close to the central engine from high-precision core-shift measurements. In this thesis I present the concept for PR observations at higher frequencies of 22 GHz and 43 GHz. The work makes use of the observations at lower frequencies to calibrate the phases at the higher frequencies, which enables PR at short mm-wavelengths. In conjunction with conventional phase-calibration with a suitable calibrator, this technique is termed source-frequency phase referencing (SFPR). I proposed the first SFPR observations with intercontinental baselines between the Korean VLBI network and the Yebes telescope in Spain. Due to unforeseen delays in the observations, in this work I will focus in detail about the principles of SFPR, the source sample selection, and the observational procedures, providing an outlook on the unique capabilities of this observing mode.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Supermassive schwarze Löcher in den Zentren von radio-lauten aktiven galaktischen Kernen (AGN) können relativistische, kollimierte Plasma-Ausflüsse (Jets) produzieren. Dabei spielen Magnetfelder eine zentrale Rolle bei der Entstehung und Kollimation dieser Jets. Die Details sind jedoch noch immer umstritten. Very-long-baseline interferometry (VLBI) ist ein mächtiges Werkzeug zur Beobachtung der innersten Regionen von Jets in AGN und können Aufschluss geben über die physikalischen Prozesse, die die Bildung, Kollimation und die Emission in Jets antreiben. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über AGN anhand des Quasars 3C 345 zu erweitern, mithilfe von hochmodernen Weltraum-VLBI-Beobachtungen. 3C 345 wurde über mehrere Jahrzehnte hinweg kontinuierlich beobachtet, sowohl mit VLBI als auch mit einzelnen Radiotelekopen, sowie auch im Röntgen- und Gammastrahlungs-Bereich. Die allgemein gekrümmte Struktur und die beobachtete Biegung des Jets wurden bereits auf spiralförmige Bewegung einzelner Jet-Komponenten und damit auf eine mögliche präzedierende Akkretionsscheibe um das zentrale schwarze Loch zurückgeführt. Ich untersuche den Jet in 3C 345 mit RadioAstron, wobei ein VLBI-Netzwerk von einem 10-m Radioteleskop auf dem Spektr-R-Satelliten im Weltraum unterstützt wird. Dadurch kann ich die Quelle bei bisher unerreichter Auflösung von 300 Mikrobogensekunden bei 1.6 GHz kartieren. Für VLBI-Netzwerke auf der Erde ist dies in der Regel nur bei 22 GHz möglich. Es werden Karten sowohl in Gesamt- wie auch linear polarisierter Intensität erstellt. Diese offenbaren die komplexe Struktur des Jets in hohem Detail. Die Positionswinkel der Vektoren des elektrischen Felds (EVPAs) scheinen mit der lokalen Richtung des Jets weiterstgehend parallel zu verlaufen. Eine Region stromabwärts des Jets wird identifiziert, die sowohl in Gesamt- wie auch polarisierter Intensität das Maximum der Karte bildet. Wahrscheinlich zeigt dieses eine Schockfront, die sich stromabwärts des scheinbaren Anfangs des Jets (des VLBI-Kerns) befindet, der selbst-absorbiert und depolarisiert ist. Im Weiteren untersuche ich die Daten in Verbindung mit einem Multifrequenz-Datensatz von erdgebundenen VLBI-Netzwerken bei 5, 8, 15, und 43 GHz. Aus diesen ergibt sich durch das beobachtete steile Spektrum ein optisch dicker Kern bei allen Frequenzpaaren. Der Spektralindex nimmt wie erwartet entlang des Jets ab. Im speziellen zeigt die Spektralindexkarte zwischen 1.6 und 15 GHz, die die höchste Auflösung in dieser Studie hat, einen Anstieg des Spektralindexes an der Position der höchsten Intensität, was die Annahme eines Schocks unterstützt. Dazu untersuche ich mögliche Faraday-Rotation in der Quelle. Dabei wird ein mäßig hohes Rotation Measure (RM) gezeigt, das in der Größenordnung etwa zwischen 10 und 100 Radiant pro Quadratmeter liegt. Dies rotiert die beobachteten EVPAs bei 1.6 GHz so weit, dass sie nun an der Stelle des Schocks eher senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Jets stehen, während sie im Kern parallel sind. Ein Anstieg des RM stromaufwärts des Jets wird ersichtlich, was den Anstieg in Teilchendichte und magnetischer Flussdichte widerspiegelt. Interessanterweise wird zudem ein Vorzeichenwechsel des RM beobachtet, was für einen poloidalen Anteil des Magnetfeldes spricht, und auf ein spiralförmiges Magnetfeld hindeuten könnte. Die Untersuchung der räumlichen Verschiebung des VLBI-Kerns mit der Frequenz zeigt, dass die Verschiebung, die von den RadioAstron-Daten gemessen wurde, höchstwahrscheinlich methodisch unterschätzt wird. Die anderen Frequenzen zeigen Verschiebungen, die gut mit der Gleichverteilung der Teilchen- und Magnetfeldenergie in der Kernregion vereinbar sind. Die hieraus hergeleiteten magnetischen Flussdichten stimmen mit früheren Studien überein. Ein Vergleich der Teilchendichten, die aus der Kern-Verschiebung und der RM-Analyse berechnet werden, deutet auf externe Faraday-Rotation von Materie um den Jet herum hin. Im Allgemeinen führt die Anwendung von Selbst-Kalibration in VLBI-Beobachtungen zum Verlust der absoluten Raumkoordinaten der so erhaltenen Karte. Deshalb erfordert eine Ausrichtung von Karten bei verschiedenen Frequenzen die Präsenz von optisch dünnen Komponenten im Jet, deren Position sich nicht mit der Frequenz ändert. Diese Methode neigt allerdings zu systematischen Unsicherheiten, die die Genauigkeit der Bestimmung der Kern-Verschiebung maßgeblich beeinflussen. Eine Lösung bieten Phase-Referencing (PR)-Beobachtungen. Dabei wird eine am Himmel in der Nähe befindliche Kalibrationsquelle mit der Zielquelle zusammen beobachtet, um später die Phasenkorrekturen der Kalibratonsquelle auf die Zielquelle zu übertragen. Damit können die Phasenfehler durch die atmosphärischen Schwankungen korrigiert werden, ohne dass es der Selbst-Kalibration bei der Zielquelle bedarf. Mit dieser Methodik kann die Verschiebung des Kerns besser bestimmt werden. Allerdings ist die Anwendung von PR-Beobachtungen auf niedrige Frequenzen limitiert, durch die schnelleren atmosphärischen Schwankungen und die limitierte Verfügbarkeit von Kalibrationsquellen bei hohen Frequenzen. Beobachtungen bei hohen Frequenzen werden jedoch benötigt, um die Kern-Verschiebung und damit physikalische Parameter nahe des zentralen schwarzen Lochs zu bestimmen. In dieser Arbeit präsentiere ich daher das Konzept für PR-Beobachtungen bei höheren Frequenzen, nämlich bei 22 und 43 GHz. Dabei werden die schnellen atmosphärischen Schwankungen zum Teil dadurch ausgeglichen, dass die Phasen von der niedrigeren Beobachtungsfrequenz für die höhere Frequenz angewandt werden. Damit sind grundsätzlich PR-Beobachtungen bei mm-Wellenlängen möglich. Zusammen mit konventionellen PR-Beobachtungen nennt sich das Verfahren source-frequency phase referencing (SFPR). Ich habe einen Beobachtungsantrag für die ersten SFPR-Beobachtungen mit interkontinentalen Basislinien gestellt, der vom Korean VLBI network in Korea und dem Yebes-Telescope in Spanien angenommen wurde. Durch unvorhergesehene Ereignisse verzögerten sich die Beobachtungen, jedoch gehe ich im Detail auf den Beobachtungsplan ein, der die Auswahl der Quellen und die Beobachtungsprozeduren beinhaltet. Ich gebe dabei einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die diese Beobachtungen als Wegbereiter eröffnen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pötzl, Felix fpoetzl@mail.de orcid.org/0000-0002-6579-8311 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Thesis advisor Ros, Eduardo UNSPECIFIED Thesis advisor Lobanov, Andrei UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-525300
Date:	7 July 2021
Language:	English
Faculty:	Central Institutions / Interdisciplinary Research Centers
Divisions:	Externe Einrichtungen
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language radio, VLBI, galaxies, quasars, AGN, active galactic nuclei, magnetic fields, jets, black holes UNSPECIFIED
Date of oral exam:	4 March 2021
Referee:	Name Academic Title Zensus, J. Anton Prof. Dr. Eckart, Andreas Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/52530