Observations of Active Galactic Nuclei from Radio to Gamma-rays

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2013-10-16
Issue Year
2013
Authors
Böck, Moritz
Editor
Abstract

In this work, Active Galactic Nuclei (AGN) - the brightest persistent objects in the universe - are discussed. According to current knowledge they consist out of several components. The central object of such systems is a supermassive black hole located in the center of a galaxy. Estimated masses of such black holes range from millions to billions of solar masses. The enormous gravitational field of the black hole affects material in its surrounding. Matter, such as gas, dust particles or stellar wind virtually provides the fuel for the AGN. The accretion process is highly efficient and partly explains the extreme luminosities of Active Galactic Nuclei. The thermal emission of the accretion disk is, however, insufficient for explaining the total emission of AGN. Observations show that some of these objects are visible throughout the complete electromagnetic spectrum. The emission in the radio regime as well as, most likely, high-energy emission seem to originate from jets. Unlike material accreted by the black hole, jets are collimated outflows with velocities near the speed of light. AGN are not completely understood. There are numerous open questions remaining, such as the exact accretion geometry, the formation and composition of the relativistic jets, the interaction between different components of these systems, as well as the place of origin and the underlying physical processes of the emission in different energy ranges. In order to address these questions a multiwavelength analysis of AGN has been performed in this work. The different energy regimes and observational techniques allow for insights into different processes and properties of such objects.

A study of the connection between the accretion disk and properties of the jet has been done based on the object NGC 1052 using radio and X-ray observations. This object is a galaxy with an active nucleus. In the radio regime a double-sided jet with a projected length of several kpc is visible. In addition, the center of NGC 1052 hosts a clear X-ray source. The massive data set consists of numerous observations with different instruments allowing for detailed analyses. In the X-ray regime deep observations with sensitive telescopes are available, with which the distribution of X-ray emission within the host galaxy can be studied with high angular resolution. Furthermore the spectral properties can be analyzed in detail. Ths analysis allows one to draw conclusions on the environment of the supermassive black hole.

Interferometric radio observations with long baselines yield angular resolutions higher than milliarcseconds. In this way it is possible to resolve structures in jets on scales of a tenth of a parsec. Within the scope of this work the available radio observations with this technique, which were performed between 1995 and 2012, were analyzed. With it, the temporal evolution of structures in the jet can be tracked and velocities can be determined. In addition, the typical intensity evolution of features in the jet could be determined.

For a better understanding of AGN, studies of AGN samples complement analyses of individual sources. In this work the TANAMI and MOJAVE programs are described, as well as the thereby enabled studies. In both programs AGN samples are monitored with very-long-baseline-interferometry (VLBI). In these long-term studies it is possible to determine jet properties, such as the jet speed, and to compare them with observations in other energy regimes. Contributions to the TANAMI program have been done within the scope of this work, e.g., visualization methods for radio images have been developed.

In the last section of this work, the gamma-ray properties of the AGN in the TANAMI and MOJAVE samples are discussed. Initially an overview on gamma-ray astronomy and the Fermi mission, which has been in operation since 2008, is given. Based on data obtained with Fermi-LAT, the properties of the objects in the sample in the energy range of 100 MeV to 100 GeV are analyzed. A comparison of radio and gamma-ray properties of the AGN confirms the assumption that gamma-rays in AGN originate from relativistic jets.

Abstract

In dieser Arbeit werden aktive galaktische Kerne - die hellsten Objekte mit dauerhafter Emission im Universum - behandelt. Nach aktuellem Wissensstand bestehen sie aus mehreren Komponenten. Das zentrale Objekt solcher Systeme ist ein supermassives schwarzes Loch, das sich im Zentrum einer Galaxie befindet. Abschätzungen der Masse von schwarzen Löchern dieser Art liegen im Bereich von Millionen bis zu mehreren Milliarden von Sonnenmassen. Das enorme Gravitationsfeld eines schwarzen Lochs wirkt auf Material in seiner Nähe, das gewissermaßen den Treibstoff des aktiven galaktischen Kerns darstellt. Der Akkretionsprozess, bei dem sich Material dem schwarzen Loch nähert und Energie abstrahlt, ist äußerst effizient und erklärt teilweise die extremen Leuchtkräfte aktiver galaktischer Kerne. Die erwartete thermische Emission einer Akkretionsscheibe reicht jedoch nicht aus, um die komplette Strahlung aktiver galaktischer Kerne zu erklären. Beobachtungen zeigen, dass manche dieser Objekte im kompletten elektromagnetischen Spektrum sichtbar sind. Der Ursprung der Emission im Radio- sowie vermutlich auch im Hochenergiebereich scheinen Jets zu sein. Es handelt sich dabei um gebündelte Teilchenstrahlen, die sich vom schwarzen Loch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entfernen. Aktive galaktische Kerne sind noch nicht komplett verstanden. Es gibt noch zahlreiche offene Fragen, wie zum Beispiel die exakte Akkretionsgeometrie, die Entstehung und Zusammensetzung der relativistischen Jets, die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen dieser Systeme, sowie die genauen Ursprungsorte und die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse der Emission in verschiedenen Energiebereichen. Um diese Fragen zu adressieren wird in dieser Arbeit eine Multiwellenlängenanalyse aktiver galaktischer Kerne durchgeführt. Die unterschiedlichen Energiebereiche und Beobachtungesmethoden erlauben Einblicke in verschiedene Prozesse und Eigenschaften dieser Objekte.

Eine Studie des Zusammenhangs zwischen Akkretion und Eigenschaften des Jets erfolgt anhand der aktiven Galaxie NGC 1052 unter Verwendung von Radio- und Röntgenbeobachtungen. Im Radiobereich zeigt sich ein doppelseitiger Jet mit einer projizierten Länge von mehreren kpc. Zusätzlich befindet sich im Zentrum von NGC 1052 eine deutliche Röntgenquelle. Zahlreiche Beobachtungen dieser Quelle mit verschiedenen Instrumenten und erlauben detaillierte Analysen. Im Röntgenbereich sind dabei lange Beobachtungen mit empfindlichen Teleskopen verfügbar, mit welchen einerseits die Verteilung der Röntgenstrahlung innerhalb der Galaxie mit hoher Winkelauflösung und andererseits spektrale Details untersucht werden können. Diese Analyse erlaubt Rückschlüsse auf die Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs.

Interferometrische Radiobeobachtungen mit großen Entfernungen zwischen Teleskopen ermöglichen Winkelauflösungen, die feiner als Millibogensekunden sind. Damit ist es möglich, Strukturen im Jet auf Größenordnungen eines Zehntel Parsecs zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die verfügbaren Radiobeobachtungen dieser Art untersucht, die im Zeitraum von 1995 bis 2012 durchgeführt wurden. Es lässt sich damit die zeitliche Entwicklung der Strukturen im Jet verfolgen und deren Bewegungsgeschwindigkeit bestimmen. Zusätzlich konnte die typische Intensitätsentwicklung dieser Jetkomponenten auf ihrer Bewegung entlang der Jetachse bestimmt werden.

Für ein besseres Verständnis aktiver galaktischer Kerne ergänzen Studien größerer Samples die Analysen individueller Quellen. In dieser Arbeit werden das TANAMI und das MOJAVE Programm erläutert, sowie die dadurch ermöglichten Studien. In beiden Programmen werden Auswahlen aktiver galaktischer Kerne mit Jets mit einer radiointerferometrischen Beobachtungskampagne untersucht. Mit diesen Langzeitstudien ist es möglich, Eigenschaften, wie etwa die Jetgeschwindigkeit, zu bestimmen und mit Beobachtungen in anderen Energiebereichen zu vergleichen. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Beitrag zum TANAMI-Programm dar. Es wurden beispielsweise Visualisierungsmethoden für Radiobilder entwickelt.

Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die Gammastrahlungseigenschaften der aktiven galaktischen Kerne der TANAMI- und MOJAVE-Samples behandelt. Hierfür wird zunächst ein überblick über die Gammastrahlenastronomie und die Fermi-Mission, die seit 2008 in Betrieb ist, gegeben. Basierend auf Daten, die mit Fermi-LAT gemessen wurden, werden die Eigenschaften der Objekte in den Samples im Energiebereich von 100 MeV bis 100 GeV analysiert. Ein Vergleich der Radio- und Gammastrahlungseigenschaften der AGN unterstützt die Vermutung, dass die Gammastrahlung in AGN ihren Ursprung in relativisitischen Jets hat.

DOI
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