New developments and techniques in radio to X-ray observations of AGN
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Abstract
I present my work related to the most luminous persistent sources in the known Universe – Active Galactic Nuclei (AGN). The term AGN refers to the central “active” region of a galaxy which can be very bright and even outshine their host galaxy. We typically observe these objects across the whole electromagnetic spectrum (from radio to gamma-rays). In our current understanding of AGN a supermassive black hole resides in the center of each galaxy, with typical masses on the order of millions of solar masses. This black hole is thought of as the engine powering the AGN and is “fueled” by surrounding material (dust and gas). The strong gravitational field of the black hole causes the material to be accreted, where accretion is a highly efficient process which converts the gravitational potential energy of material into radiation. Due to the conservation of angular moment the material will not accrete directly onto the black hole, building instead an accretion disk. The accretion mechanisms explain most of the observed emission from AGN. However, observations show that the radio emission and parts of the high energy emission originate from jets. Jets are highly relativistic collimated outflows perpendicular to the accretion disk, which can reach velocities close to the speed of light. With radio interferometers we can create highly resolved images of these jets, reaching spatial resolutions on the sub-lightyear scale. Evolutionary studies show traceable features in these jets, with apparent motion faster than the speed of light which can be explained by relativistic Doppler boosting. The phenomenon of AGN is not fully understood and many questions remain such as the detailed physics of the accretion process, underlying physical processes for the emission at various wavelength, the evolution of AGN, or the launching, formation, and composition of the jets. The eROSITA instrument on-board the future mission Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG), will address some of these questions by an all-sky survey in the soft X-rays. For eROSITA I developed and implemented necessary data processing steps prior the Near Real Time Analysis (NRTA) and the Science Analysis Software System (SASS). The data processing is split into multiple parts such as the conversion of binary telemetry data streams to FITS files, the merging and splitting of these, and archiving tasks. With Very Long Base Interferometry (VLBI) I studied the structural evolution of the jet in 3C 111 during 2007 and 2012.5. I found the ejection of multiple ballistic components associated with outbursts in the lightcurve at mm wavelengths. The number of ballistic components appear to be correlated to the strength of these outbursts. The ballistic components can usually be traced a short period of time before vanishing or a change in their trajectory is observed. In a second source study I analyzed the flux density evolution in the structure of the jet in 3C 84 at various wavelengths. Based on the long-term radio lightcurves an increase in flux density is observed since 2008 and rapidly increasing since early 2011. I find that the flux density is not increasing in the core region, which is constant, but rather in the southern region � 2mas away from the core. Using simultaneous observations at 24 GHz and 43 GHz I could determine the frequency core shift. I can also confirm the limb-brightened structure seen in a previous study of the source. Furthermore I present a new software package which I developed to overcome the shortcomings of the typical software used for model fitting the VLBI data, DIFMAP. I show that we are able to reproduce the fits produced by DIFMAP or find even better fits. I demonstrate the possibilities for a thorough error analysis in the new software package. Moreover, I show that one can simultaneously fit models to multiple VLBI data sets at once based on an example kinematic analysis of a source from the MOJAVE program. I was able to reproduce the established apparent motions. Investigation of the uncertainties revealed a strong correlation between the vector speed parameter and the ejection time in the ballistic model, demonstrating the need for an in-depth error analysis.
Abstract
Ich stelle meine Arbeit zu den leuchtstärksten und durchgehend beobachtbaren Quellen im Universum vor – Aktive Galaktische Kerne (AGN). Unter dem Begriff AGN versteht man die “aktive” Region im Zentrum einer Galaxie, die so hell ist, dass sie sogar ihre Wirtsgalaxie überstrahlen kann. In der Regel können wir diese Objekte im gesamten elektro-magnetischen Spektrum (von Radio- bis Gammastrahlung) beobachten. Nach heutigen Erkenntnissen zum Thema AGN befindet sich ein supermassives schwarzes Loch, dessen Masse im Bereich von ein paar Millionen Sonnenmassen liegt, im Zentrum einer jeden Galaxie. Man kann dieses schwarze Loch als eine Art “Motor” für die AGN verstehen, der Staub und Gas aus der Umgebung als “Treibstoff” verwendet. Durch das starke Gravitationsfeld des schwarzen Loches wird Materie akkretiert. Akkretion ist ein hocheffizienter Prozess bei dem die potentielle Gravitationsenergie von Materie in Strahlung umgewandelt wird. Die Materie wird jedoch aufgrund der Drehimpulserhaltung nicht direkt auf das schwarze Loch akkretiert sondern bildet eine Akkretionsscheibe. Der Großteil der beobachteten Emission von AGN kann durch diese Akkretion erklärt werden. Die Radio- und ein Teil der hochenergetischen Strahlung jedoch stammt von Jets. Jets sind hochrelativistische, gebündelte Teilchenausflüsse, senkrecht zur Akkretionsscheibe, die Geschwindigkeiten bis hin zur Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Mit Hilfe von Radiointerferometrie kann man hochaufgelöste Bilder, mit einer Auflösung im Bereich von Lichtjahren, dieser Jets erzeugen. Studien der Entwicklung zeigen verfolgbare Komponenten im Jet mit scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit, die sich durch den relativistischen Doppler Effekt erklären lassen. Das Phänomen der AGN ist noch nicht vollständig geklärt und viele Fragen zum Akkretionsprozess, zu den zugrundeliegenden physikalischen Prozessen bei verschiedenen Wellenlängen, zur Entwicklung von AGN, der Entstehung und Komposition von Jets, bleiben bestehen. Einige dieser Fragen soll mit dem eROSITA Instrument, in dem man den gesamten Himmel im weichen Röntgenbereich studiert, auf der Mission Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG) geklärt werden. Ich habe die wichtige Datenprozessierung für die zeitnahe Analyse Software (Near Real Time Analysis – NRTA) und der wissenschaftlichen Analyse Software (SASS) des eROSITA Instruments entwickelt und implementiert. Die Prozessierung der Daten ist dabei in mehrere Bereiche unterteilt: die Umwandlung des binären Telemetrie-Datenstroms in das FITS Dateiformat sowie in Folge deren Gruppierung, Aufteilung und Archivierung. Ich habe die strukturelle Entwicklung des Jets in 3C 111 zwischen 2007 und Mitte 2012 mit interferometrischen Beobachtungen, bei der die Entfernung zwischen den Teleskopen sehr groß ist (VLBI), studiert. Ich konnte die Entstehung von ballistischen Komponenten mit Ausbrüchen in der mm Lichtkurve assoziieren. Die Anzahl der ballistischen Komponenten scheint mit der Stärke der Ausbrüche korreliert zu sein. Typischerweise kann man diese ballistischen Komponenten nur für eine kurze Zeit verfolgen, bevor diese entweder verschwinden oder man eine Veränderung ihrer Trajektorie beobachtet. In einer zweiten Studie habe ich die Entwicklung der Flussdichte des Jets in 3C 84 bei verschiedenen Wellenlängen analysiert. Die Langzeit-Lichtkurve zeigt einen Zuwachs der Flussdichte seit 2008, der seit 2011 stärker geworden ist. Ich habe herausgefunden, dass der Flussdichte-Zuwachs nicht in der Kern-Region, die einen konstanten Wert in dieser Zeit hatte, stattgefunden hat, sondern in der � 2mas entfernten, südlichen Region. Basierend auf simultanen Beobachtungen bei 24 GHz und 43 GHz habe ich die frequenzabhängige Verschiebung der Kern-Region bestimmt. Zusätzlich konnte ich die bereits in einer früheren Studie beobachtete Randaufhellung des Jets bestätigen. Außerdem präsentiere ich ein neues Software-Paket, das die Unzulänglichkeiten der etablierten Software (DIFMAP) zur Entwicklung von Modellen für VLBI-Daten behebt. Wir sind damit in der Lage, die mit DIFMAP gefundenen Modelle zu reproduzieren oder auch Bessere zu finden. Ich zeige die Möglichkeiten einer genauen Fehlerberechnung mit diesem Software-Paket. Außerdem demonstriere ich die Option einer simultanen Anpassung eines Models an mehrere VLBI Datensätze am Beispiel der kinematischen Analyse einer Quelle aus dem MOJAVE-Programm. Ich bin in der Lage, die bereits etablierten Geschwindigkeiten in dieser Quelle zu reproduzieren. Eine Untersuchung der Unsicherheiten zeigt eine starke Korrelation zwischen der Vektor-Geschwindigkeit und dem Zeitpunkt der Entstehung im ballistischen Modell, welches den Bedarf einer tiefergehenden Fehleranalyse unterstreicht.