Universität zu Köln

Hoellmer (neé Kramer), Joana Anna ORCID: 0009-0003-3011-0454 (2023). Magnetohydrodynamic Processes and Polarized Emission in AGN Jets. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF Doctoral_Thesis-17.pdf - Accepted Version Download (75MB)

Abstract

Active galactic nuclei (AGN) stand out as some of the most powerful entities in the universe. At their core lies a supermassive black hole (SMBH) with a mass ranging up to several billion times the mass of the Sun, surrounded by an accretion disk that feeds the system. As matter falls toward the black hole, a portion of it is expelled perpendicularly to the accretion disk, forming what we call jets. These relativistic flows are highly collimated and can travel enormous distances up to kiloparsecs away from the central engine. The radiation emitted by AGN jets display significant features in structure across the electromagnetic spectrum and in polarized emission, reflecting changes in intrinsic parameters, such as the magnetic field and the rest-mass density. It is essential to understand how magnetic properties of the relativistic plasma impact the morphology of polarized synchrotron emission in jets. In order to study this, it is necessary to compare numerical simulations to the observed structure of the polarized radio signal in relativistic jets and to uncover the nature of the underlying physics. To investigate the structural behaviour of polarized AGN jets, I employ a numer- ical laboratory using a three-dimensional relativistic magnetohydrodynamic (RMHD) module within the PLUTO code. I study how non-thermal synchrotron radiation, re- sulting from relativistic electrons spiraling around magnetic field lines, is affected by three primary factors: first, the implementation of various magnetic field morphologies, such as purely poloidal, helical, and purely toroidal; second, the application of differ- ent electron scaling relations to map non-thermal physics from the thermal parameters calculated in each simulation; and third, the requirement for a jet tracer to exclude the non-cooled ambient medium in RMHD codes. This study analyzes for the first time the polarized synthetic synchrotron emission in full Stokes. This results in major find- ings: The synthetic maps reveal that when the magnetic field is toroidal in nature, the emission from the jet is brighter at the jet sheath, that is, showing an edge-brightening. Conversely, an underlying purely poloidal magnetic field structure results in a brighter central spine. In the latter case, the emission concentrates in the recollimation shock, which is associated with the radio core in radio-wavelengths observations. Further, the circularly polarized emission shows both positive and negative signs for the toroidal magnetic field morphology over various types of AGN: radio galaxies, with a large viewing angle, and blazar sources, which show a jet structure emanating close to our line of sight. Finally, the emission from the relativistic jet remains largely unaltered by different emission scaling relations when the ambient medium is excluded. To test the hypothesis, I compare archival very-long-baseline interferometric (VLBI) observations from the MOJAVE program at 15 GHz and recent, dedicated observations obtained from the Very Long Baseline Array (VLBA) at 15 GHz and 23 GHz with the synthetic polarized synchrotron emission maps of blazars studied in this thesis. The archival observations extend over several years to decades. I analyze linear polarized emission and electric vector position angles, as well as circular polarization at 15 GHz and 23GHz. The findings of the study are compared to previous reconstructions of these features, which confirms the robustness of electric vector position angles. This suggests the presence of a consistent magnetic field within the VLBI radio core over time. Further, the linear polarized emission structure is consistent with polarized signals observed in the past, that is, matching the total intensity peak in most blazar sources. Examining the circular polarization reveals a switch in sign when moving from 15 GHz to 23 GHz. This result is contextualized by discussing optical depth and Faraday screens. The numerical study of AGN jets is improved by including particle physics into three-dimensional hybrid fluid-particle jet simulations. This is achieved by using a Lagrangian particle approach within the PLUTO code. I develop a specialized jet setup to accommodate Lagrangian particles with distinct physical parameters and power-law energy distributions. These particles are tracked via the underlying plasma flow. The non-thermal particle attributes are numerically updated over time. Particle physics allows to include radiative losses in numerical jet simulations which leads to cooling of the ambient medium and the backflow of the bow shock of the jet head. This provides an unobscured view of the polarized synchrotron emission of the relativistic jet. I specifically employ the example of the nearby radio galaxy Centaurus A to confirm the results of an edge-brightened jet with an underlying toroidal magnetic field configuration.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Aktive galaktische Kerne (AGN) stechen als einige der hellsten Objekte im Kosmos her- vor. In ihrem Zentrum befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch (SMBH) mit einer Masse von mehreren Milliarden Sonnenmassen, umgeben von einer Akkretionss- cheibe, die das System mit Materie versorgt. Wenn Materie durch Gravitation zum Schwarzen Loch angezogen wird, wird ein Teil davon senkrecht zur Akkretionsscheibe ausgestoßen und bildet sogenannte Jets. Diese relativistischen Strömungen sind stark zentrierte Strukturen und können weite Strecken zurücklegen, bis hin zu Kiloparsecs von der zentralen Antrieb entfernt. Die von Jets in AGN emittierte Strahlung zeigt bemerkenswerte Strukturmerkmale im elektromagnetischen Spektrum und in polar- isierter Emission, die Veränderungen in intrinsischen Parametern wie dem Magnetfeld und der Teilchendichte widerspiegeln. Das Verständnis, wie die magnetischen Eigenschaften des relativistischen Plas- mas im Jet die Morphologie seiner polarisierten Synchrotronemission beeinflussen, ist entscheidend für den Vergleich von numerischen Simulationen mit der beobachtbaren Struktur und Polarisation des Lichts. Um das Verhalten von Jets zu erforschen, verwende ich eine numerische Meth- ode, welche ein dreidimensionales relativistisches magnetohydrodynamisches (RMHD) Modul innerhalb des PLUTO-Codes nutzt. Ich untersuche, wie die nicht-thermische Synchrotronstrahlung, die von relativistischen Elektronen, die um magnetische Felder kreisen, von drei Hauptfaktoren beeinflusst wird: Erstens die Implementierung ver- schiedener magnetischer Feldstrukturen wie rein poloidal, helikal und rein toroidal; zweitens die Anwendung diverser Skalierungsrelationen im Bezug auf nicht-thermische Teilchen, um nicht-thermische Physik aus den in den Simulationen berechneten ther- mischen Parametern abzubilden; und drittens die Notwendigkeit eines Jet Indikators, um das stark leuchtende Material um den Jet in RMHD-Codes auszuschließen. Er- stmals wird die Analyse polarisierter synthetischer Synchrotronstrahlung in allen Po- larisationsrichtungen durchgeführt. Dies führt zu bedeutenden Erkenntnissen. Die synthetischen Karten zeigen, dass bei einer toroidalen magnetischen Feldstruktur die Emission des Jets am Rande heller ist und zu einer Erhöhung der Helligkeit dieser äußeren Struktur führt, während eine rein poloidale Magnetfeldstruktur eine hellere zentrale Emission im Jet erzeugt. Im letzteren Fall konzentriert sich die emittierte Strahlung im Rekollimationsstoß, der bei Beobachtungen von Jets im Radio-Bereich mit dem Radiokern in Verbindung gebracht wird. Weiterhin trägt die zirkular polarisierte Emission sowohl negative als auch positive Vorzeichen bei einer toroidalen magnetischen Feldstruktur in verschiedensten Arten von AGN: In Radiogalaxien mit einem großen Sichtwinkel und Blazaren, welche in einem kleinen Winkel zu unserer Beobachtungslinie ausgetoßen werden. Abschließend ist die Emission des relativistischen Jets weitgehend unbeeinflusst von verschiedenen Elektronskalierungsrelationen, sofern das Umgebungsmedium aus den Berechnungen des Strahlungstransports ausgeschlossen wird. Um diese These zu testen, vergleiche ich sehr langbasisinterferometrische (VLBI) Beobachtungen aus dem MOJAVE Archiv bei einer Frequenz von 15 GHz mit aktuellen, speziell gewonnenen Beobachtungen des Very Long Baseline Array (VLBA) bei einer Frequenz von 15 GHz und 23 GHz mit den synthetischen polarisierten Karten der Syn- chrotronstrahlung von Blazaren, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. Die bisheri- gen Beobachtungen erstrecken sich über mehrere Jahre bis Jahrzehnte. Ich analysiere lineare polarisierte Emission und die Positionswinkel des elektrischen Vektors, sowie zirkulare Polarisation bei 15 GHz und 23 GHz. Die Ergebnisse der Studie werden mit früheren Rekonstruktionen dieser Merkmale verglichen, was zu einer Bestätigung der Robustheit der Positionswinkel des elektrischen Vektors führt. Dies deutet auf ein zeitlich konsistentes Magnetfeld im VLBI-Radiokern hin. Weiterhin stimmt die lin- eare polarisierte Struktur mit polarisierten Signalen aus der Vergangenheit überein, d.h., sie entspricht dem Peak der Gesamtintensität in den meisten Blazar-Quellen. Die Untersuchung der zirkularen Polarisation ergibt eine Änderung des Vorzeichens beim Wechsel von 15 GHz auf 23 GHz. Ich diskutiere dieses Ergebnis im Zusammenhang mit optischer Tiefe und Faraday-Schirmen. Um die numerische Untersuchung von AGN-Jets zu verbessern, werden Ansätze von Teilchenphysik in einem hybriden Plasma-Teilchen-Ansatz innerhalb des PLUTO- Codes integriert. Ich habe ein spezielles Jet-Modul entwickelt, welches Lagrangesche Teilchen mit unterschiedlichen physikalischen Parametern und Energieverteilungen ein- bindet und diese während der Simulation verfolgt und aktualisiert. Die Teilchenphysik ermöglicht die Einbeziehung von Strahlungsverlusten in numerischen Jet-Simulationen, wodurch das Umgebungsmedium Energie verliert und der Rückfluss des Jets, der sich durch das thermische Plasma bewegt, ausgeschlossen wird. Dies zielt auf eine ungehin- derte Sicht auf die Emission des Blazar-Jets ab. Ich verwende speziell das Beispiel von der Radiogalaxie Centaurus A, um die Ergebnisse eines Jets mit starker Emission am äußeren Rande mit einer darunter liegenden toroidalen magnetischen Feldkonfiguration zu präsentieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hoellmer (neé Kramer), Joana Anna jkramer@mpifr-bonn.mpg.de orcid.org/0009-0003-3011-0454 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-717602
Date:	2023
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 English Polarization UNSPECIFIED Jet Simulations UNSPECIFIED Relativistic Magnetohydrodynamics UNSPECIFIED Very Long Baseline Interferometry UNSPECIFIED
Date of oral exam:	16 October 2023
Referee:	Name Academic Title Zensus, Anton Prof. Eckart, Andreas Prof.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/71760