Universität zu Köln

Vega Garcia, Laura (2018). Space VLBI studies of internal structure and physical processes in extragalactic relativistic jets. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Very Long Baseline Inteferometry (VLBI) provides imaging capability at a resolution smaller than one milliarcsecond, enabling detailed studies of the innermost regions of jets in Active Galactic Nuclei (AGN). The resolution of VLBI observations can be further improved by employing antennas on board of a satellite orbiting the Earth. In this thesis, we present multifrequency images of four prominent radio sources, 0836+710, 1642+690, 3C 273, and 3C 345, obtained with the space VLBI mission RadioAstron, and use these images to reconstruct the physical conditions in their parsec-scale jets. The observations were performed as part of the RadioAstron Key Science Program on strong AGN. The main scientific goals of this study are to obtain the distribution of spectral index, turnover frequency and flux density, to estimate the magnetic field in the nuclear regions, and to investigate the development of Kelvin-Helmholtz instability in the jet flow. The RadioAstron observations made at 1.6 GHz, 5 GHz, and 22 GHz were amended by ground VLBI data taken at 15 GHz, and 43 GHz when available. The resulting multifrequency data were used to investigate the spectral and opacity properties of the jets. To enable this study, we have developed a software which combines multifrequency image alignment, opacity measurements via the "core shift" effect, spectral index calculation, and mapping the distribution of the turnover frequency/flux density and magnetic field in the jet. The development of Kelvin-Helmholtz instability is studied based on the analysis of internal structure (ridgelines and internal filaments) of the flow obtained from transverse profiles of the jet brightness. 0836+710 was observed with RadioAstron at 1.6 GHz, 5 GHz, and 22 GHz between October 2013 and January 2014. A spectral analysis, together with a kinematic analysis, reveals the presence of a recollimation shock in the jet, at a distance of 0.15 mas from the jet origin. We use the core shift analysis and synchrotron spectrum fitting to estimate the magnetic field strength in the jet core, with both methods providing a consistent estimate of B_core ~ 0.03 G at 5 GHz. We complement the analysis with an study of long-term kinematic evolution in the jet of 0836+710, relating it to the observed gamma-ray flaring activity of the source. We find that intermittent flaring states of the source and the intensity of the flares could be explained by interactions between travelling shocks and the recollimation shock identified from the analysis of the RadioAstron observations. We use the 1.6 GHz data to determine the ridgeline of the jet in 0836+710 and use it for investigating the development of Kelvin-Helmholtz instability in the flow. We identify several distinct modes of the instability and determine their wavelengths and growth lengths. This study allows us to derive relevant physical parameters such as the jet classical Mach number and density ratio with respect to the ambient medium. At last, the space VLBI image of 0836+710 at 22 GHz reveals a rich, asymmetric jet structure, which we interpret as resulting either from the differential Doppler boosting in a mildly rotating jet, or from a helical magnetic field. The well-known quasar 3C 273 was observed with RadioAstron in April 2014 at 5 GHz and 22 GHz. Due to the challenging nature of the resulting data set, it was not possible to perform an extensive spectral analysis for this jet. A direct comparison of the jet transversal structure between our observations and previous VSOP observations at 5 GHz obtained in 1997, reveals a change in the angle of injection of the jet ridgeline. This allows us to obtain the pattern speed and rotational speed of the radio jet. This result is corroborated using publicly available multi-epoch VLBI data at 15 GHz from the MOJAVE monitoring program. The quasar 1642+690 was observed with RadioAstron between December 2014 and January 2015 at 1.6 GHz, 5 GHz, and 22 GHz. A spectral analysis of this source also suggested the presence of a recollimation shock, located at ~0.75 mas from the compact core. A study of the synchrotron spectrum reveals the potential presence of a strong magnetic field in the core region, as well as in the region of the putative recollimation shock. At last, the quasar 3C 345 was observed with RadioAstron in April 2014 at 5 GHz and 22 GHz. However, no fringes with the space antenna were found at either of the two frequencies for most of the duration of the experiment, and therefore it is not possible to obtain additional information from the RadioAstron baselines with respect to the ground array observations. We use the resulting images to perform a spectral and turnover analysis of the source, estimating a magnetic field of ~0.07 G in the core region at 5 GHz which is in a good agreement with previous estimates.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die bildgebende Technik Very Long Baseline Inteferometry (VLBI) bietet eine Bildauflösung von weniger als einer Millibogensekunde und ermöglicht detaillierte Untersuchungen der innersten Regionen von Jets in aktiven galaktischen Kernen (AGN). Die Auflösung der VLBI-Beobachtungen kann durch den Einsatz von Antennen an Bord eines die Erde umkreisenden Satelliten weiter verbessert werden. In dieser Arbeit präsentieren wir Multifrequenz-Aufnahmen von vier prominenten Radioquellen, 0836+710, 1642+690, 3C 273 und 3C 345, die mit der VLBI-Mission RadioAstron aufgezeichnet wurden, und verwenden diese Bilder zur Rekonstruktion der physikalischen Bedingungen in ihren Jets auf Parsec Skalen. Die Beobachtungen wurden im Rahmen des RadioAstron Key Science Programms, starke AGNs, durchgeführt. Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele dieser Studie sind die Ermittlung der Verteilung von Spektralindizes, der Turnoverfrequenz und der Flussdichte, die Abschätzung des Magnetfeldes in den Kernregionen und die Untersuchung der Entwicklung der Kelvin-Helmholtz-Instabilität im Jet. Die bei 1,6 GHz, 5 GHz und 22 GHz durchgeführten RadioAstron-Beobachtungen wurden durch VLBI-Bodendaten ergänzt, die bei 15 GHz und 43 GHz aufgenommen wurden, wenn verfügbar. Die resultierenden Multifrequenzdaten wurden zur Untersuchung von Spektral- und Opazitätseigenschaften der Jets herangezogen. Um diese Studie zu ermöglichen, haben wir eine Software entwickelt, die Multifrequenz-Bildausrichtung, Opazitäts-Messungen mit Hilfe des "Core-Shift"-Effekts, Spektralindexberechnung und ortsaufgelöste Darstellung der Verteilung der Turnoverfrequenz/Flussdichte und des Magnetfeldes im Jet generieren kann. Die Entwicklung der Kelvin-Helmholtz-Instabilität wird anhand der Analyse der inneren Struktur (Randlinien und innere Filamente) der Jet-Strömung aus Querprofilen der Strahlhelligkeit analysiert. 0836+710 wurde mit RadioAstron bei 1.6 GHz, 5 GHz und 22 GHz, zwischen Oktober 2013 und Januar 2014 beobachtet. Eine Spektralanalyse zusammen mit einer kinematischen Analyse, zeigt das Vorhandensein eines Rekollimationsschocks im Jet, bei einem Abstand von 0.15 mas vom Jetursprung. Wir verwenden die core-shift Analyse und das Synchrotron-Spektrum zur Abschätzung der magnetischen Feldstärke in den Jet-Zentren, wobei beide Methoden eine konsistente Abschätzung von Bcore liefern ~0.03 G bei 5 GHz. Wir ergänzen die Analyse mit einer Studie über langfristige kinematische Entwicklung im Jet von 0836+710, bezogen auf die beobachtete gamma-ray Flare-Aktivität der Quelle. Wir stellen fest, dass intermittierende Flare-Zustände der Quelle und die Intensität der Flares durch Wechselwirkungen zwischen propagierenden Schocks und dem aus der Analyse der RadioAstron-Beobachtungen ermittelten Rekollimationsschocks erklärt werden können. Wir verwenden die 1.6 GHz Daten, um die Randlinien des Jets in 0836+710 zu bestimmen und die Entwicklung der Kelvin-Helmholtz-Instabilität im Jet zu untersuchen. Wir identifizieren verschiedene Modi der Instabilität und bestimmen deren Wellenlängen und Wachstumslängen. Aus dieser Studie können wir ableiten, dass die physikalischen Parameter, wie z.B. die klassische Machzahl und das Dichteverhältnis zum umgebenden Medium, sehr hoch sind. Das Space-VLBI-Bild von 0836+710 bei 22 GHz zeigt eine prominente, asymmetrische Jet-Struktur, die wir entweder mittels differentiellen Doppler-Boostings in einem leicht rotierenden Jet oder durch ein schraubenförmiges Magnetfeld interpretieren können. Der bekannte Quasar 3C 273 wurde mit RadioAstron im April 2014 bei 5 GHz und 22 GHz beobachtet. Aufgrund der anspruchsvollen Natur des resultierenden Datensatzes war es nicht möglich, eine umfangreiche Spektralanalyse für diesen Jet durchzuführen. Ein direkter Vergleich der Jetquerstruktur zwischen unseren Beobachtungen und früheren VSOP-Beobachtungen bei 5 GHz aus dem Jahr 1997 zeigen eine Änderung des Injektionswinkels der Randlinien des Jets. Dies ermöglicht uns, die Geschwindigkeit der Anordnung und die Rotationsgeschwindigkeit des Jets zu ermitteln. Dieses Ergebnis wird durch öffentlich zugängliche Multi-Epochen-VLBI-Daten bei 15 GHz aus dem MOJAVE-Monitoring-Programm bestätigt. Der Quasar 1642+690 wurde mit RadioAstron zwischen Dezember 2014 und Januar 2015 bei 1.6 GHz, 5 GHz und 22 GHz beobachtet. Eine Spektralanalyse dieser Quelle deutet auch auf einen Rekollimationsschock hin, der sich bei ~0.75 mas vom kompakten Kern befindet. Eine Untersuchung des Synchrotron-Spektrums zeigt die potentielle Präsenz eines starken Magnetfeldes in der Kernregion sowie im Bereich des vermeintlichen Rekollimationsschocks. Zuletzt wurde der Quasar 3C 345 mit RadioAstron im April 2014 bei 5 GHz und 22 GHz beobachtet. Allerdings wurden bei beiden Frequenzen über den Großteil der Laufzeit des Experiments keine Fringes gefunden, und daher ist es nicht möglich, zusätzliche Informationen aus den RadioAstron-Basislinien in Bezug auf das Ground-Array zu erzielen. Wir verwenden die resultierenden Bilder, um eine Spektral- und Turnover-Analyse der Quelle durchzuführen. Dies ermöglicht die Abschätzung eines Magnetfeldes von ~0.07 G in der Kernregion bei 5 GHz, was in guter Übereinstimmung mit früheren Schätzungen ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Vega Garcia, Laura UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-93793
Date:	23 August 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Extragalactic astronomy English Radio Interferometry English Relativistic jets English Magnetohydrodynamics English
Date of oral exam:	18 October 2018
Referee:	Name Academic Title Eckart, A. Prof. Dr. Zensus, J.A. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/9379