Observations of Active Galactic Nuclei from Radio to Gamma-Rays
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a Observations of Active Galactic Nuclei from Radio to Gamma-rays Right Ascension Right Ascension 20s 10s 2h 41m 00s 50s 10s 05s 2h 41m 00s DSS (optical) 5kpc Chandra (0.1–9 keV) -8◦ 12’ -8◦ 14’ -8◦ 13’ -8◦ 14’ -8◦ 15’ Declination -8◦ 15’ -8◦ 16’ Declination -8◦ 16’ -8◦ 17’ -8◦ 18’ 10 kpc -8◦ 19’ -8◦ 17’ ◦ 10 -8◦ 15’ 00” 1kpc MERLIN2 (1.42 GHz) ◦ 5 10” Declination 0◦ 20” -5◦ 30” -10◦ 40” Declination -15◦ VLBA (15.4GHz) 4 Relative DEC [mas] 2 -20◦ Fermi/LAT 2Mpc (0.1-100 GeV) 0 -25◦ -2 4h 00m 3h 30m 3h 00m 2h 30m 2h 00m 1h 30m 0.3 pc Right Ascension -4 10 5 0 -5 -10 Relative RA [mas] Moritz B¨ock Supervisors: Prof. Dr. J¨ornWilms and Prof. Dr. Matthias Kadler performed at: Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg Erlangen Centre for Astroparticle Physics The cover picture shows images of the Active Galactic Nucleus NGC 1052 in different energy ranges and with different angular resolution. The scale bar indicates the projected length in the distance of the source. A high-energy (0.1{100 GeV) image in the bottom left has been obtained with Fermi/LAT (integrated exposure of years). An optical image is shown in the top left and a soft X-ray image obtained with Chandra in the top right. An overlay of this image with radio emission (contour lines) seen with MERLIN has been created (middle right). In the bottom right a VLBA radio image with high angular resolution is shown. More information on this source and the used observation techniques are provided within this thesis. Observations of Active Galactic Nuclei from Radio to Gamma-rays Beobachtungen aktiver galaktischer Kerne von Radiowellen bis zu Gammastrahlen Der Naturwissenschaftlichen Fakult¨atder Friedrich-Alexander-Universit¨atErlangen-N¨urnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Moritz B¨ock aus Regensburg Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakult¨at der Friedrich-Alexander-Universit¨atErlangen-N¨urnberg Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: September 2012 Vorsitzender der Promotionskommission: Erstberichterstatter: Prof. Dr. J¨ornWilms Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Matthias Kadler Erweiterte deutsche Zusammenfassung 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. Absch¨atzungen der Masse von schwarzen L¨ochern dieser Art liegen im Be- reich von Millionen bis zu mehreren Milliarden von Sonnenmassen. Es wird heute vermutet, dass jede gr¨oßere Galaxie ein zentrales schwarzes Loch beherbergt. Per Definition ist es selbst nicht direkt sichtbar, kann aber aufgrund des Einflusses auf seine Umgebung nachgewiesen werden. Der Unterschied zwischen einem supermassiven schwarzen Loch als nahezu unsichtbares oder als eines der hellsten Objekte im Universum beruht somit auf dessen Umgebung. Das enorme Gravitations- feld eines schwarzen Lochs wirkt auf Material in seiner N¨ahe. Derartiges Material, beispielsweise Gaswolken, Staubpartikel und Sternwinde, stellt gewissermaßen den Treibstoff des aktiven galakti- schen Kerns dar. Aufgrund der Drehimpulserhaltung wird das Material auf Umlaufbahnen um das schwarze Loch gezwungen und eine Akkretionsscheibe kann sich bilden. Reibung und Turbulenzen fuhren¨ zu einer Drehimpulsubertragung¨ und damit dazu, dass sich das Material dem schwarzen Loch n¨ahert und Energie abstrahlt. Der Akkretionsprozess ist ¨außerst effizient und erkl¨art teilweise die extremen Leuchtkr¨afte aktiver galaktischer Kerne. Die erwartete thermische Emission einer Ak- kretionsscheibe reicht jedoch nicht aus, um die komplette Strahlung aktiver galaktischer Kerne zu erkl¨aren. Beobachtungen zeigen, dass manche dieser Objekte im kompletten elektromagnetischen Spektrum sichtbar sind. Der Ursprung der Emission im Radio- sowie vermutlich auch im Hochener- giebereich scheinen Jets zu sein. Im Gegensatz zu Material, das vom schwarzen Loch eingesaugt wird, handelt es sich dabei um gebundelte¨ Teilchenstrahlen, die sich von diesem mit nahezu Licht- geschwindigkeit 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 Prozes- se der Emission in verschiedenen Energiebereichen. Um diese Fragen zu adressieren wird in dieser Arbeit eine Multiwellenl¨angenanalyse aktiver galaktischer Kerne durchgefuhrt.¨ Die unterschiedli- chen Energiebereiche und Beobachtungesmethoden erlauben Einblicke in verschiedene Prozesse und Eigenschaften dieser Objekte. Eine Studie des Zusammenhangs zwischen Akkretion und Eigenschaften des Jets erfolgt anhand des Objekts NGC 1052 unter Verwendung von Radio- und R¨ontgenbeobachtungen. Es handelt sich dabei um eine Galaxie mit einem aktiven Kern. Im Radiobreich zeigt sich ein doppelseitiger Jet mit einer projizierten L¨ange von mehreren kpc. Zus¨atzlich befindet sich im Zentrum von NGC 1052 eine deutliche R¨ontgenquelle. Der umfangreiche Datensatz besteht aus zahlreichen Beobachtungen mit verschiedenen Instrumenten und erlaubt detaillierte Analysen. Im R¨ontgenbereich sind dabei lange Beobachtungen mit empfindlichen Teleskopen verfugbar,¨ mit welchen einerseits die Verteilung der R¨ontgenstrahlung innerhalb der Galaxie mit hoher Winkelaufl¨osung und andererseits spektrale Details untersucht werden k¨onnen. Es zeigt sich, dass es ausgedehnte R¨ontgenemission gibt, de- ren Verteilung vereinbar mit der Position des im Radiobereich sichtbaren Jets ist. Das Spektrum dieser Komponente kann mit Bremsstrahlung und der Emission eines thermischen Plasmas model- liert werden. Ihr Ursprung ist vermutlich die Wechselwirkung des Jets mit interstellarer Materie innerhalb der Galaxie. Die R¨ontgenstrahlung bei h¨oheren Energien stammt gr¨oßtenteils aus dem Kern der Galaxie und erlaubt Ruckschl¨ usse¨ auf die Umgebung des supermassiven schwarzen Lochs. Die beobachtete starke Absorption gew¨ahrt Einblicke in die Eigenschaften des Materials in dieser Region. Interferometrische Radiobeobachtungen mit großen Entfernungen zwischen Teleskopen erm¨og- lichen Winkelaufl¨osungen, die feiner als Millibogensekunden sind. Damit ist es m¨oglich, Struktu- ren im Jet auf Gr¨oßenordnungen eines Zehntel Parsecs zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit I wurden die verfugbaren¨ Radiobeobachtungen dieser Art untersucht, die im Zeitraum von 1995 bis 2012 durchgefuhrt¨ wurden. Es l¨asst sich damit die zeitliche Entwicklung der Strukturen im Jet verfolgen und deren Bewegungsgeschwindigkeit bestimmen. Zus¨atzlich konnte die typische In- tensit¨atsentwicklung dieser Jetkomponenten auf ihrer Bewegung entlang der Jetachse bestimmt werden. Eine Extrapolation der Trajektorien zeigt, dass es bis zu einem Jahr dauert, bis eine Kom- ponente vom schwarzen Loch die Region erreicht, ab welcher sie bei 15 GHz sichtbar wird. Wenn neue Komponenten den (im Radiobereich nicht sichtbaren) Kern verlassen, zeigt sich Variabilit¨at im R¨ontgenbereich. Es werden Intensit¨atseinbruche¨ sowie Erh¨ohungen beobachtet. Ein starkes Aus- stoßereignis im Jet ereignete sich bei niedriger R¨ontgenintensit¨at. Diese erh¨ohte sich in den beiden folgenden Jahren, bis weitere Jetkomponenten ausgestoßen wurden. Fur¨ ein besseres Verst¨andnis aktiver galaktischer Kerne erg¨anzen Studien gr¨oßerer Samples die Analysen individueller Quellen. In dieser Arbeit werden das TANAMI und das MOJAVE Programm erl¨autert, sowie die dadurch erm¨oglichten Studien. In beiden Programmen werden Auswahlen akti- ver galaktischer Kerne mit Jets mit einer radiointerferometrischen Beobachtungskampagne unter- sucht. Mit diesen Langzeitstudien ist es m¨oglich, 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 Visualisie- rungsmethoden fur¨ Radiobilder entwickelt. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die γ-Strahlungseigenschaften der aktiven galaktischen Kerne der TANAMI- und MOJAVE-Samples behandelt. Hierfur¨ wird zun¨achst ein Uberblick¨ uber¨ die γ-Strahlenastronomie 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. Dazu wurde nach γ-Strahlungsquellen ge- sucht, die signifikant mit Fermi/LAT detektiert wurden. Es zeigte sich, dass fast alle BL Lac-Objekte detektiert sind, sowie die Mehrheit der Quasare. Im Gegensatz dazu sind nur wenige Radiogala- xien in diesem Energiebereich sichtbar. Fur¨ aktive galaktische Kerne, die nicht mit Fermi/LAT detektierbar sind, wurden obere Grenzen fur¨ deren γ-Strahlungsfluss bestimmt. Unter Verwen- dung der Entfernung der Quellen wurden die Leuchtkr¨afte bestimmt. Diese sind am geringsten fur¨ Radiogalaxien und gr¨oßer fur¨ BL Lacs. Die h¨ochsten Leuchtkr¨afte sind die der Quasare. Ein Vergleich der vom MOJAVE-Team bestimmten Jetgeschwindigkeiten mit Eigenschaften der Quel- len im Hochenergiebereich unterstutzt¨ die Vermutung, dass die γ-Strahlung ihren Ursprung im Doppler-Boosting in relativisitischen Jets hat, die unter einem kleinen Winkel zur Sichtlinie aus- gerichtet sind. Die Jetgeschwindigkeiten zeigen,