Universität zu Köln

Angioni, Roberto (2018). VLBI and gamma-ray studies of radio galaxies in the TANAMI monitoring program. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Relativistic jets in Active Galactic Nuclei (AGN) are among the most extreme sources of radiation in the universe. They are launched and accelerated by accreting supermassive black holes found in the center of a fraction of galaxies. These jets emit strongly across the whole electromagnetic spectrum, and are especially bright in the radio and gamma-ray bands, where they are among the most studied astrophysical sources. In the simplest models, the production of gamma-rays in radio-loud AGN involves the same relativistic particles that give rise to the radio emission. Therefore, we expect to observe a close connection between the two bands. This has been well-established in studies of large AGN samples. However, such samples are dominated by AGN with well-aligned jets, a sub-class called blazars, where the observed emission is strongly beamed and amplified due to relativistic Doppler effects. While this makes blazars easier to detect, it also poses the challenge of disentangling orientation-dependent effects from the intrinsic physical properties. To this date, there has been no systematic study on the relation between parsec-scale radio emission and gamma-ray properties of the misaligned parent population of blazars, i.e., radio galaxies. In this thesis, I present the first systematic VLBI and gamma-ray monitoring study of a representative sample of radio galaxies with strong compact radio emission, with the aim of exploring the intrinsic relationship between high-energy emission and pc-scale jet properties in AGN. I base the study on the decade(s)-long Very Long Baseline Interferometry (VLBI) monitoring provided by the TANAMI program, the largest multi-epoch observational campaign on radio-loud AGN in the Southern sky. First, I introduce the basic properties of AGN (Chapter 1), and discuss the current understanding of the relation between radio and gamma-ray emission in AGN (Chapter 2). I then introduce the instruments and the corresponding data reduction techniques relevant to this thesis work, i.e., gamma-ray telescopes (Chapter 3) and VLBI arrays (Chapter 4). Chapter 5 presents the results on the evolution of the parsec-scale jet in TANAMI radio galaxies, including milliarcsecond resolution images at 8.4 GHz for several observing epochs, and a jet kinematic analysis to estimate the intrinsic jet speed, viewing angle, and overall evolution, at the highest resolution available for this sample. The information from parsec-scale jet kinematics is combined with gamma-ray flux variability results from the Fermi -LAT space telescope (presented in Chapter 6), and the observed properties in these two bands and their interplay are discussed in Chapter 7. I summarize the main results in Chapter 8.I first discuss individual results on noteworthy TANAMI radio galaxies, such as the FR II radio galaxy Pictor A, the peculiar AGN PKS 0521−36, the TeV source PKS 0625−35, and the first gamma-ray detected young radio galaxy, PKS 1718−649 (Section 7.1). I then combine the TANAMI radio galaxy sample with publicly available results from the MOJAVE survey, the largest VLBI monitoring program of AGN in the northern sky, to study the largest sample to date of radio galaxies with parsec-scale kinematics and gamma-ray information (Section 7.2). Testing for possible correlations between the average radio and gamma-ray properties of radio galaxies, I show that the high-energy emission from the compact jets of radio galaxies is not strongly driven by orientation-dependent Doppler boosting effects, much unlike the situation in their blazar counterparts. However, a significant correlation between gamma-ray flux and radio flux still holds, suggesting a direct physical link between the intrinsic emission properties of AGN jets in the two wavebands.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Relativistische Jets in aktiven galaktischen Kernen (AGN) gehoeren zu den staerksten Quellen elektromagnetischer Strahlung im Universum. Sie werden angetrieben und beschleunigt durch supermassive schwarze Loecher, die sich im Zentrum einiger Galaxien befinden und Gas akkretieren. Diese Jets strahlen stark ueber das ganze elektromagnetische Spektrum, und sind besonders hell im Radio- und Gamma-Bereich, bei denen sie zu den am besten untersuchten astronomischen Quellen gehoeren. In den einfachsten Modellen wird die Gamma-Strahlung in radiolauten AGN von denselben relativistischen Teilchen emittiert, die auch fuer die Radio-Strahlung sorgen. Deshalb erwarten wir eine enge Verbindung zwischen diesen Frequenzbaendern. In Untersuchungen mit vielen AGN wurde dies bestaetigt. Allerdings weisen die meisten der AGN in diesen Stichproben mit der Sichtlinie ausgerichtete Jets auf; diese Unterklasse von AGN nennt man Blazare. In diesen ist die Emission stark in einem kleinen Abstrahlungswinkel kollimiert und verstaerkt durch relativistische Doppler-Effekte. Auf der einen Seite sind diese Objekte dadurch leichter zu detektieren, auf der anderen Seite ist es schwieriger, zwischen Effekten der Ausrichtung der Quelle und intrinsischen physikalischen Eigenschaften zu unterscheiden. Bisher gab es keine systematische Studie zur Relation von Radio- und Gamma-Strahlung auf Parsec-Skalen in der uebergeordneten Population von Blazaren, den Radiogalaxien. In dieser Arbeit praesentiere ich die erste systematische Studie einer repraesentativen Stichprobe von Radiogalaxien mit starker, kompakter Radioemission mit VLBI- und Gamma-Beobachtungen. Ziel dieser Studie ist es, die intrinsische Relation zwischen hochenergetischer Emission und Eigenschaften der Jets auf Parsec-Skalen in AGN zu untersuchen. Fuer diese Studie verwende ich die jahrzehntelangen Beobachtungen mit Very Long Baseline Interferometry (VLBI) des TANAMI-Programms, der groessten Beobachtungs-Kampagne zu radiolauten AGN am Suedhimmel, die mehrere Epochen umfasst. Zuerst fuehre ich in die grundlegenden Eigenschaften von AGN ein (Kapitel 1) und zeige die momentane Sicht auf die Beziehung zwischen Radio- und Gamma-Strahlung in AGN (Kapitel 2). Weiter praesentiere ich die Instrumente und die Techniken der Datenreduktion, die fuer diese Arbeit relevant sind, d. h. Gamma-Teleskope (Kapitel 3) und VLBI-Teleskope (Kapitel 4). In Kapitel 5 zeige ich die Ergebnisse bezueglich der Entwicklung der Jets auf Parsec-Skalen in TANAMI-Radiogalaxien. Dazu gehoeren Karten mit Millibogensekunden-Aufloesung bei 8.4~GHz fuer verschiedene Beobachtungsepochen sowie eine Analyse der Kinematik der Jets bei der hoechsten in dieser Studie moeglichen Aufloesung, um ihre intrinsischen Jet-Geschwindigkeiten, Beobachtungswinkel und ihre Gesamtentwicklung abzuschaetzen. Die aus der Kinematik der Jets auf Parsec-Skalen gewonnenen Informationen werden mit den Ergebnissen des Fermi-LAT Weltraumteleskops zur Flussdichte-Variabilitaet im Gamma-Bereich (Kapitel 6) kombiniert. In Kapitel 7 diskutiere ich die beobachteten Eigenschaften in den beiden Frequenzbaendern und ihr Zusammenspiel. Kapitel 8 ist eine Zusammenfassung der wesentlichen Resultate. Als erstes eroertere ich die einzelnen Ergebnisse beachtenswerter TANAMI-Radiogalaxien, wie der FR II Radiogalaxie Pictor A, des irregulaeren AGN PKS 0521-36, der TeV-Quelle PKS 0625-35, und der ersten Gamma-detektierten jungen Radiogalaxie, PKS 1718-649 (Abschnitt 7.1). Danach kombiniere ich die Stichprobe von TANAMI-Radiogalaxien mit den oeffentlich zugaenglichen Ergebnissen der MOJAVE-Studie, dem groessten Programm zur kontinuierlichen Beobachtung von AGN am Nordhimmel, um die bisher groesste Stichprobe von Radiogalaxien mit Informationen zur Kinematik auf Parsec-Skalen und zur Gamma-Strahlung zu erhalten (Abschnitt 7.2). Ich teste in dieser Stichprobe moegliche Korrelationen zwischen den durchschnittlichen Eigenschaften der Gamma- und Radiostrahlung. Dabei zeige ich, dass die hochenergetische Emission kompakter Jets in Radiogalaxien nicht stark von ausrichtungsabhaengigen, strahlungsverstaerkenden Doppler-Effekten beeinflusst wird, ganz anders als in den Blazaren. Trotzdem bleibt eine signifikante Korrelation zwischen Gamma- und Radiostrahlung, was auf einen direkten physikalischen Zusammenhang zwischen den intrinischen Eigenschaften der Emission in AGN Jets in diesen beiden Wellenlaengenbereichen hinweist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Angioni, Roberto UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-93804
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 Gamma-ray astronomy English
Date of oral exam:	19 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/9380