Detaillierte Simulationen von Blazar-Emissionen : ein numerischer Zugang zu Radiobeobachtungen und Kurzzeitvariabilität

Detailed Simulations of Blazar-Emission: A numerical approach to Radio observations and short term variability

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-103209
  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Prozessen, die in einer Unterklasse der Aktiven Galaxienkerne, den Blazaren, das Emissionsspektrum dieser Objekte erzeugen. Dies beinhaltet insbesondere den Beschleunigungsprozess, der eine nichtthermische Teilchenverteilung erzeugt, sowie diverse Strahlungsprozesse. Das Spektrum dieser Quellen reicht dabei vom Radiobereich bis zu Energien im TeV-Bereich. Die Form des zeitlich gemittelten Spektrums kann durch Modelle bereits sehr gut beschrieben werden. Insbesondere die erste der beidenDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Prozessen, die in einer Unterklasse der Aktiven Galaxienkerne, den Blazaren, das Emissionsspektrum dieser Objekte erzeugen. Dies beinhaltet insbesondere den Beschleunigungsprozess, der eine nichtthermische Teilchenverteilung erzeugt, sowie diverse Strahlungsprozesse. Das Spektrum dieser Quellen reicht dabei vom Radiobereich bis zu Energien im TeV-Bereich. Die Form des zeitlich gemittelten Spektrums kann durch Modelle bereits sehr gut beschrieben werden. Insbesondere die erste der beiden dominierenden Komponenten des Spektrums kann mit hoher Sicherheit mit Synchrotronemission einer Elektronenenergieverteilung in Form eines Potenzgesetzes identifiziert werden. Für den Ursprung der zweiten Komponente existieren jedoch verschiedene Erklärungsversuche. Dies sind im wesentlichen die inverse Compton-Streuung der internen oder externer Strahlung (leptonische Modelle) sowie die Emission und photohadronische Wechselwirkung einer hochenergetischen Verteilung von Protonen in der Quelle. Eine räumliche Auflösung des Ursprungs der detektierten Strahlung ist mit den zur Verfügung stehenden Teleskopen nicht möglich. Einschränkungen für die Ausdehnung dieser Emissionszone ergeben sich lediglich aus der Variation des Emissionsspektrums. Eine Bestimmung der Morphologie ist jedoch im selbstabsorbierten Radiobereich des Spektrums durch die Ausnutzung von interferometrischen Beobachtungen möglich. Die resultierenden Längen, auf denen die im inneren der Quelle selbstabsorbierte Strahlung die Quelle schließlich verlässt, sind jedoch etwa zwei Größenordnungen oberhalb der aus den Variabilitätszeitskalen gefolgerten Limits. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell soll dabei helfen, verschiedene Beobachtungen mit Hilfe eines quantitativen Modells zu beschreiben. Hier steht insbesondere die Korrelation zwischen den Verläufen der Hochenergie- und Radioemission im Vordergrund. Eine Aussage über die Existenz einer solchen Verbindung konnte aus den bisherigen Beobachtungen nicht getroffen werden. Eine quantitative Modellierung könnte bei der Interpretation der bisher uneindeutigen Datenlage helfen. Eine weitere, durch Modelle bisher nicht beschreibbare, Beobachtungsevidenz sind extrem kurzzeitige Variationen des Flusszustands. Die Lichtlaufzeit durch das für die Modellierung benötigte Raumgebiet ist zumeist größer als die beobachtete Zeitskala. Zudem deuten die Beobachtungen darauf hin, dass manche dieser Flussausbrüche nicht zwischen den verschiedenen Bändern korreliert sind, wie es zumindest die leptonischen Modelle erwarten lassen würden. Das hier beschriebene Modell verbindet eine räumliche Auflösung des Emissionsgebiets mit dem dominanten Beschleunigungsmechanismus. Hierdurch konnte zunächst gezeigt werden, dass die Beschreibung von Variabilität auch auf Skalen unterhalb der Lichtlaufzeit durch das modellierte Raumgebiet möglich ist. Zudem wurde ein Szenario quantifiziert, dass im leptonischen Fall unkorrelierte Ausbrüche vorhersagt. \thispagestyle{empty} Durch eine Erweiterung des Emissionsgebiets gegenüber anderen Blazar-Modellen um zwei Größenordnung konnte zudem eine Verknüpfung zwischen dem Hochenergie- und dem Radiobereich erfolgen. Die gefundene Morphologie des Einschlussgebiets der nichtthermischen Teilchenpopulation beinhaltet eine physikalisch sinnvolle Randbedingung für das Emissionsgebiet der Hochenergiestrahlung, die zudem den für die betrachtete Quelle korrekten Spektralindex im Radiobereich erzeugt. Darüber hinaus wurden in das Modell sowohl leptonische als auch hadronische Prozesse integriert, die eine flexible und unvoreingenommene Modellierung potentieller Hybridquellen erlauben. Mit dem entwickelten Modell ist es möglich, aus detailliert vermessenen Lichtkurven im Hochenergiebereich die zu erwartende Radioemission vorherzusagen. Die in diese Vorhersage eingehenden Parameter lassen sich aus der Modellierung des Gleichgewichtsspektrums bestimmen.show moreshow less
  • The work presented here addresses processes that are responsible for the emission spectra of a certain sub-class of Active Galactic Nuclei, the Blazars. In particular, these include the acceleration process, producing the non-thermal particle distribution, and various Emission processes. The spectra of Blazars range from the radio band up until energies in the TeV range. The form of the steady state spectrum is explained well by existing models. There is, in particular, strong evidence that the first of the two bumps of the spectral energyThe work presented here addresses processes that are responsible for the emission spectra of a certain sub-class of Active Galactic Nuclei, the Blazars. In particular, these include the acceleration process, producing the non-thermal particle distribution, and various Emission processes. The spectra of Blazars range from the radio band up until energies in the TeV range. The form of the steady state spectrum is explained well by existing models. There is, in particular, strong evidence that the first of the two bumps of the spectral energy distribution is the synchrotron emission of an electron power-law distribution. For the second bump there are, however, several possibilities. Roughly speaking these are the inverse Compton scattering of the internal radiation or an external radiation field (leptonic models), as well as the emission of non-thermal protons and photo hadronic interactions with these protons. A resolution of the source of the detected radiation is not in the scope of existing telescopes. Limits on the spatial extent of the Emission region only follow from the variation timescales of the spectra. In the self-absorbed radio regime, a determination of the morphology is however possible due to interferometric observations. The observed lengths represent the scale at which the radiation, which is self-absorbed in the innermost parts, eventually leaves the source. However, this scale is two orders of magnitude larger than the limits deduced from the variability timescales. The model developed during the course of this work is designed to produce a quantitative description of various observations. First and foremost these are the correlations between the radio regime and the very high energy regime. Strong evidence either for or against the existence of such a correlation was not possible thus far with the available data. Quantitative modelling could help to interpret the presently unclear situation. Additional observations, that cannot be explained by current models, are extreme short-term variability. The light travelling times through the emission region that are required for the steady state modelling are usually much longer than the observed timescales. Moreover, observations indicate that some of the observed flares have no correlated variability in other bands as would be expected from leptonic models. The model described in this thesis connects a spatial resolution of the emission region with the dominant acceleration process. With this approach it could be shown, that the modelling of variability on scales below the light travel time limits can be achieved. Moreover, a leptonic scenario predicting uncorrelated short-term variability was quantified. A connection between the radio and very high energy emission was achieved via an extension of the size of the emission region by two orders of magnitude. The morphology of the confinement region that was used for the large scale simulations provides both a physical Sound boundary condition for the high energy emission, as well as a correct description of the observed spectral index in the radio. Furthermore, both leptonic and photohadronic processes were implemented, providing a flexible and unbiased modelling of hybrid sources. The developed model is capable of predicting the radio emission on the basis of detailed light curves in the high energy regime. The Parameters entering this prediction follow from the modelling of the steady state of the chosen source.show moreshow less

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Metadaten
Author: Stephan Richter
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-103209
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie
Referee:Prof. Dr. Felix Spanier, Prof. Dr. Matthias Kadler
Date of final exam:2014/09/17
Language:German
Year of Completion:2014
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 523 Einzelne Himmelskörper und Himmelsphänomene
GND Keyword:Blazar; Mathematisches Modell; Strahlung
Tag:Strahlung
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
Release Date:2014/09/18
Licence (German):License LogoCC BY-NC-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Weitergabe unter gleichen Bedingungen