Universität zu Köln

Kim, Jae-Young ORCID: 0000-0001-8229-7183 (2018). High Spatial Resolution Millimeter VLBI Studies of the Nearby Radio Galaxies M 87 and 3C 84. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Active galactic nuclei (AGN) are believed to be powered by accretion of gas onto a central supermassive black hole (SMBH). In particular, a certain fraction of AGN show unusual, dramatic outflows of ionized plasma – relativistic jets – which are extended from the compact central engine region up to millions of light years from the host galaxies. The jets are observationally characterized by superluminal propagation speeds and a highly collimated structure. Recent theoretical studies suggest physical models to explain the origin and evolution of the jets. In spite of the recent progress, however, the extremely small spatial scale of the base of the jet (a few to hundreds of Schwarzschild radii Rs) poses almost unsurmountable difficulties to observe the regions directly. This thesis presents my work attempting to understand the physics and test observation- ally the existing theoretical models of the central regions based on high spatial resolution observations of selected nearest radio galaxies Messier 87 (M 87, Virgo A, NGC 4486, 3C 274) and 3C 84 (NGC 1275). For this, I employ the technique of very-long-baseline interferometry (VLBI), which allows to resolve the vicinity of the central engine at an ultra-high angular resolution of 50 micro-arcseconds at the high observing radio frequency of 86 GHz (providing a spatial resolution of only 7Rs for M 87). In Chapter 1, I present a brief review of the historical and astrophysical backgrounds of AGN and their relativistic jets. Basics of radio astronomical observations and theoretical/practical aspects of VLBI are given in Chapter 2. The main results and conclusions from our studies of M 87 and 3C 84 based on the Global Millimeter VLBI Array (GMVA) observations at 86 GHz are presented in Chapters 3 and 4, respectively. GMVA bservations of M 87 performed between 2004 and 2015 reveal the fine-scale structure of the innermost jet at the highest resolution and sensitivity to date. The following main results are presented in the thesis based on the high-resolution high-fidelity images and other VLBI data of M 87: (i) the substantially low brightness temperature of the compact VLBI core region (whose size is only ∼ 10Rs at 86 GHz), suggesting a magnetic energy dominated jet launching region, (ii) the wide diameter of the jet base (∼ (4 − 6)Rs) inferred from the collimation profile of the edge-brightened jet and the slow propagation speed of the inner jet (apparent speed ≲ 1.0 c), indicating that the bright edges of the outflow may originate from the inner accretion disk, (iii) the rapidly increasing brightness temperature of the VLBI core at low observing frequencies (by an order of magnitude from 230 GHz down to 1.6 GHz), which could be a signature of internal microscopic particle accelerations, and (iv) the presence of a faint central lane between the bright edges of the jet, which may correspond to an ultra-relativistic “spine” of the outflow with a different physical origin. The GMVA observations of 3C 84 in May 2015 resolve the complicated inner jet structure at a spatial resolution of 250Rs at 86 GHz (at the highest image dynamic range of ∼ 3400 at this frequency to date). Other intensive multi-frequency VLBI observations during 2015 also reveal highly time-variable flux density in the VLBI core region. In this thesis, I particularly focus on the spectral and linear polarization properties and present the following results: (1) a significant detection of linearly polarized features in the VLBI core region at 86 and 43 GHz, whose morphology appears to be highly time-variable on monthly timescales (at 43 GHz), (2) a significant detection of large Faraday rotations in the core region (typical values of rotation measure∼ 10(5−6) rad/m2 ) and the rotation measure sign change in time, (3) comparisons of the Faraday depolarization models and the observed linear polarization spectrum, which suggests the boundary layer of the jet threaded by ordered magnetic fields as the external Faraday screen, and (4) an estimate of the magnetic field strength and the electron number density in the jet by a joint analysis of the observed Faraday rotation and the synchrotron self-absorption in the core region. These findings provide a lot of valuable information about the inner structure of M 87 and 3C 84 which was not available before, and these observational data will be served as a paramount morphological description of the total intensity and polarized emission of these sources for theoreticians to tune their models. I summarize our main conclusions and suggest future work in Chapter 5.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Es wird angenommen, das Aktive Galaktische Kerne (AGN) durch Akkretion von Gas auf ein zentrales supermassereiches schwarzes Loch (SMBH) angetrieben werden. Im Besonderen zeigt ein bestimmter Teil von AGNs ungewöhnliche, dramatische Ausströmungen von ionisiertem Plasma - relativistische Jets - welche sich von dem kompakten, zentralen Motor bis zu Entfernungen von Millionen von Lichtjahren von der Heimatgalaxie erstrecken. Beobachtungen von Jets sind durch Überlichtgeschwindigkeiten und einer sehr kollimierten Struktur gekennzeichnet. Aus jüngste theoretische Studien folgen physikalische Modelle, welche den Ursprung und die Evolution von Jets erklären. Trotz der aktuellen Fortschritte stellt die unglaublich kleine räumliche Ausdehnung der Jetbasis (einige hundert Schwarzschild-Radien Rs ) dennoch eine nahezu unüberwindliche Hürde dar diese Regionen direkt zu beobachten. Diese Doktorarbeit präsentiert meine Bemühungen die Physik zu verstehen und bestehende theoretische Modelle der zentralen Region durch Beobachtungen mit hoher räumlicher Auflösung anhand einer Auswahl der uns am nächsten gelegenen Radiogalaxien Messier 87 (M 87, Virgo A, NGC 4486, 3C 274) und 3C 84 (NGC 1275) zu überprüfen. Hierfür verwende ich die Technik der Very long Baseline Interferometry (VLBI), welche es mir erlaubt die Umgebung des zentralen Motors mit einer ultra-hohen Winkelauflösung von 50 Mikrobogensekunden bei einer hohen Radiofrequenz von 86 GHz aufzulösen (dies resultiert in einer räumlichen Auflösung von nunmehr 7 Rs für M 87). In Kapitel 1 präsentiere ich einen kurzen überblick über die historischen und astrophysikalischen Hintergründe von AGNs und deren relativistischen Jets. Grundlagen von radioastronomischen Beobachtungen und theoretische sowie praktische Aspekte von VLBI sind in Kapitel 2 erläutert. Die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen unserer Studien von M 87 und 3C 84, anhand von Global Millimeter VLBI Array (GMVA) Beobachtungen bei 86 GHz, sind jeweils in den Kapitel 3 und 4 präsentiert. GMVA Beobachtungen von M 87, durchgeführt in dem Zeitraum zwischen 2004 und 2015, offenbaren die Feinstruktur des innersten Jets bei der bisher höchsten Auflösung und Sensitivität. Die folgenden wichtigsten Ergebnisse, wie sie in dieser Arbeit präsentiert sind, basieren auf den hoch-aufgelösten Karten mit hoher Genauigkeit und anderen VLBI Daten von M 87: (i) Die erheblich niedrige Helligkeitstemperatur der kompakten VLBI Kernregion (deren Größe gerade einmal ∼ 10Rs bei 86 GHz beträgt), welche nahelegt, dass die Entstehungsregion des Jets von magnetischer Energie dominiert wird; (ii) der große Durchmesser der Jetbasis (∼ (4-6) Rs ), abgeleitet von dem Kollimationsprofil des an den Rändern helleren Jets und der langsamen Ausbreitungsgeschwindigkeit des inneren Jets (scheinbare Geschwindigkeit ≲ 1.0 c). Dies gibt Hinweise darauf, dass die hellen Ränder des Jets wahrscheinlich von der inneren Akkretionsscheibe hervorgehen; (iii) die rapide ansteigende Helligkeitstemperatur des VLBI Kernes bei niedrigen Beobachtungsfrequenzen (eine Größenordnung von 230 GHz zu 1.6 GHz). Dies könnte ein Hinweis auf interne mikroskopische Teilchenbeschleunigung sein; und (iv) das Vorhandensein einer schwachen, zentralen Spur zwischen den hellen Rändern des Jets, welche mit einem ultrarelativistischen inneren Teil der Ausströmung übereinstimmt, welche einen anderen physikalischen Ursprung hat. Die GMVA Beobachtungen von 3C 84 von Mai 2015 bilden die komplizierte innere Struktur des Jets mit einer Auflösung von 250 Rs bei 86 GHz ab (mit dem bisher höchsten Kontrast eines Bildes von ∼ 3400 bei dieser Frequenz). Andere intensive Multi-Frequenz VLBI Beobachtungen im Laufe des Jahres 2015 haben ebenfalls eine mit der Zeit sehr variable Flussdichte in der VLBI Kernregion offenbart. In dieser Doktorarbeit habe ich meinen Schwerpunkt speziell auf die spektralen Eigenschaften und die der linearen Polarisation gesetzt und präsentiere folgende Ergebnisse: (1) Eine signifikante Detektion von linear polarisierten Strukturen in der VLBI Kernregion bei 86 GHz und 43 GHz, deren Morphologie auf Zeitskalen von Monaten sehr vari- abel ist (bei 43 GHz); (2) eine signifikante Detektion von Faraday-Rotation in der Kernregion (typische Werte des rotation measure (RM) sind ∼ 10(5−6) rad/m2) und einer änderung des Vorzeichens des RM im Laufe der Zeit; (3) Vergleich der Faraday-Depolarisations-Modelle und des beobachteten linearen Polarisations-Spektrums, welches eine Grenzfläche des Jets suggeriert. Diese wird durch geordnete magnetische Felder aufgefädelt wie der externe Faraday- Schirm; (4) eine Abschätzung der magnetischen Feldstärke und der Teilchendichte der Elektronen im Jet mithilfe einer gemeinsamen Analyse der beobachteten Faraday-Rotation und der Synchrotron-Selbst-Absorption in der Kernregion. Diese Erkenntnisse stellen neue, sehr wertvolle Informationen über die innere Struktur von M 87 und 3C 84 zur Verfügung. Diese Beobachtungen fungieren als hervorragende, morphologische Beschreibung der totalen und polarisierten Intensität dieser Quellen, mit welchen Theo- retiker ihre Modelle anpassen können. Eine Zusammenfassung meiner wichtigsten Schlussfolgerungen und vorgeschlagenen zukünftigen Arbeiten gebe ich in Kapitel 5. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kim, Jae-Young jykim@mpifr-bonn.mpg.de orcid.org/0000-0001-8229-7183 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-93410
Date:	11 July 2018
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 galaxies: active - galaxies: jets - galaxies: individual: M 87 - galaxies: individual: 3C 84 - galaxies: individual: NGC 1275 - techniques: interferometric - techniques: polarimetric English
Date of oral exam:	11 September 2018
Referee:	Name Academic Title Eckart, A. Prof. Dr. Zensus, J. A. Prof. Dr. Duschl, W. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9341