University, Diss., 2004--Bonn.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2009

Tübingen, Univ., Diss., 2003.

Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

At the beginning of regular observations with the MAGIC telescope in December 2004, all but one extragalactic sources detected at very high energy (VHE) gamma-rays belonged to the class of high frequency peaked BL Lac (HBL) objects. This motivated a systematic scan of candidate sources to increase the number of known sources and to study systematically their spectral properties. As candidate sources for VHE emission, X-ray bright HBLs were selected from a compilation of active galactic nuclei. The MAGIC observations took place from December 2004 to March 2006. The declination of the objects was restricted to values between -1.2° and +58.8° corresponding to a maximum zenith distance lower than 30° at culmination. Since gamma-rays are absorbed by photo-pair production in low energy background radiation fields, the redshift of the investigated objects was limitetd to z < 0.3. Under the assumption that HBLs generally emit the same energy flux at 1keV as at 200GeV, only the brightest X-ray sources were observed, leading to a cut in the X-ray flux of F(1keV) > 2µJy}. Of the fourteen sources observed, four have been detected: 1ES 1218+304 (for the first time at very high energies), 1ES 2344+514 (strong detection in a state of low activity), Mrk 421 and Mrk 501. A hint of a signal on a 3-sigma-level from the direction of 1ES 1011+496 has been observed. In the meantime the object has been confirmed as a source of VHE gamma-rays by a second MAGIC observation campaign triggered by an optical outburst. For ten sources, upper limits on their integral fluxes above 200GeV have been calculated on a 99% confidence level. To cross calibrate the different data samples, collected during 14 months, bright muon ring images have been used, recorded as background events by the MAGIC telescope. Based on the development by Meyer (2003), the method has been improved and implemented into the automatic data analysis as a continuous monitor of the calibration and the point spread function of the optical system. While the ring images are generated by muons with small impact parameters, it could be shown that the image parameter distributions for muons with large impact parameters and gamma showers completely overlap, revealing these muons as the dominant background for gamma-ray observations below energies of 150GeV. The sample of HBLs (including all HBLs detected at VHE so far) has been investigated for correlations between broad-band spectral indices as determined from simultaneous optical, archival X-ray and radio luminosities, finding that the VHE emitting HBLs do not differ from the non-detected ones. In general the absorption corrected HBL gamma-ray luminosities at 200GeV are not higher than their X-ray luminosities at 1keV. Based on a complete X-ray BL Lac sample, the Hamburg/ROSAT X-ray BL Lac sample, the number of expected VHE sources has been estimated for the performed scan, finding a consistent number under the assumption of a 37% completeness of the investigated sample and a 1keV-to-200GeV luminosity ratio of 1.4. An upper limit on the omnidirectional flux at 200GeV has been calculated by interpolating the sum over the observed fluxes and upper limits. Within the uncertainties, the result is in agreement with the expectations derived from the X-ray luminosity function of BL Lacs. For 1ES 1218+304 and 1ES 2344+514 the lightcurves have been derived, showing evidence for flux variability on a time scale of 17 days and 24h, respectively. In the case of 1ES 1218+304 variability has been reported for the first time at VHEs. For both sources the energy spectra have been reconstructed and discussed in the context of their broad band spectral energy distribution (SED), using a single zone synchrotron self Compton model. The SEDs are well fitted by the simulation even though the very high peak frequencies at gamma-rays push the model to its limits. The parameters derived from the simulation are in good agreement with the parameters found for similar HBLs. / Zu Beginn der regulären Beobachtungen des MAGIC-Teleskops im Dezember 2004 gehörten alle extragalaktischen Quellen, bis auf eine, von denen sehr hochenergetische (VHE von engl. very high energy) Gammastrahlung detektiert wurde, zur Klasse der sogenannten "high frequency peaked BL Lac"-Objekte (HBL). Dies motivierte eine systematische Durchmusterung von Quellkandidaten mit dem Ziel die Anzahl der bekannten Quellen zu erhöhen und ihre spektralen Eigenschaften systematisch zu untersuchen. Als Quellkandidaten für VHE-Emission wurden röntgen-helle HBLs aus einer Kompilation von aktiven galaktischen Kernen ausgewählt. Die MAGIC-Beobachtungen fanden von Dezember 2004 bis März 2006 statt. Die Deklination der Objekte war begrenzt auf Werte zwischen -1.2° und +58.8°, entsprechend einer Zenitdistanz von weniger als 30° an der Kulmination. Da Gammastrahlung durch Photo-Paar-Produktion in niederenergetischen Hintergrundstrahlungsfeldern absorbiert wird, wurde die Rotverschiebung der untersuchten Objekte auf z < 0.3 begrenzt. Unter der Annahme, dass HBLs generell den selben Energieflu{ss} bei 1keV wie bei 200GeV emittieren, wurden nur die hellsten Röntgenquellen beobachtet, was zu einem Schnitt im Röntgenfluß von F(1keV) > 2µJy führte. Von den vierzehn beobachteten Objekten konnten vier detektiert werden: 1ES 1218+304 (zum ersten Mal im VHE-Bereich), 1ES 2344+514 (klare Detektion in einem Zustand niedriger Aktivität), Mrk 421 und Mrk 501. Ein Hinweis auf ein Signal auf einem 3-sigma-Level wurde aus der Richtung von 1ES 1011+496 beobachtet. Inzwischen ist das Objekt als eine Quelle hochenergetischer Gammastrahlung in einer zweiten MAGIC-Beobachtungskampagne, die durch einen hohen optischen Flusszustand ausgelöst wurde, bestätigt worden. Für die übrigen zehn Quellen wurden Obergrenzen an den integralen Fluss oberhalb von 200GeV mit einer statistischen Sicherheit von 99% berechnet. Um eine Kreuzkalibrierung verschiedener Datensätze, genommen innerhalb von 14 Monaten, durchzuführen, wurden helle Bilder von Myonenringen verwendet, die als Hintergrundereignisse vom MAGIC Teleskop aufgenommen werden. Basierend auf der Entwicklung von Meyer (2003) wurde die Methode verbessert und als ein kontinuierlicher Monitor der Kalibrierung sowie der Punktbildfunktion des optischen Systems in die automatische Datenanalyse implementiert. Während die Ringbilder von Myonen mit kleinen Stoßparametern erzeugt werden, konnte gezeigt werden, dass die Verteilungen der Bildparameter von Myonen mit großen Stoßparametern und der von Gammaschauern sich vollständig überlappen, was diese Myonen zum dominierenden Hintergrund für die Beobachtung von Gammastrahlung unterhalb einer Enegie von 150GeV macht. Das HBL-Sample (inklusive aller HBLs, die bisher bei sehr hohen Energien detektiert wurden) wurde nach Korrelationen zwischen den Breitband-Spektralindices untersucht, die durch simultane optische sowie durch Röntgen- und Radio-Leuchtkräfte aus früheren Beobachtungen bestimmt wurden, mit dem Ergebnis, dass die VHE-emittierenden HBLs sich nicht von den nicht-detektierten unterscheiden. Generell sind die absorptionskorrigierten Gammaleuchtkräfte der HBLs bei 200GeV nicht höher als ihre Röntgenleuchtkräfte bei 1keV. Basierend auf einem vollständigen Röntgen-BL Lac-Sample, dem Hamburg-ROSAT-Röntgen-BL Lac-Sample, wurde die Anzahl der zu erwartenden VHE-Quellen für die durchgeführte Durchmusterung abgeschätzt, wobei eine konsistente Anzahl erreicht wird, unter der Annahme einer Vollständigkeit des untersuchten Samples von 37% sowie ein 1keV-zu-200GeV Leuchtkraftverhältnis von 1,4. Eine Obergrenze an den gesammten Fluss pro Raumwinkel bei 200GeV wurde durch eine Interpolation der Summe der beobachteten Flüsse und Fluss-Obergrenzen berechnet. Innerhalb der Ungenauigkeiten ist das Ergebnis in Übereinstimmung mit den Erwartungen die aus der Röntgen-Leuchtkraftfunktion der BL Lacs abgeleitet wurde. Für 1ES 1218+304 und 1ES 2344+514 wurden die Lichtkurven bestimmt, welche Anzeichen von Flussvariabilität auf einer Zeitskala von 17 Tagen beziehungsweise 24 Stunden aufweisen. Im Falle von 1ES 1218+304 wurde zum ersten Mal zeitliche Variabilität bei sehr hohen Energien gesehen. Für beide Quellen wurden die Energiespektren rekonstruiert und im Kontext ihrer spektralen Energieverteilung (SED) diskutiert, wobei ein ein-Zonen-Synchrotron-selbst-Compton-Modell verwendet wurde. Die SEDs wurden von der Simulation gut beschrieben, auch wenn die sehr hohen Energien der Maxima im Gammabereich das Modell an seine Grenzen bringen. Die von der Simulation abgeleiteten Parameter stimmen gut mit den Parametern, die für ähnliche HBLs gefunden wurden überein.

The most energetic versions of active galactic nuclei (AGNs) feature two highly-relativistic plasma outflows, so-called jets, that are created in the vicinity of the central supermassive black hole and evolve in opposite directions. In blazars, which dominate the extragalactic gamma-ray sky, the jets are aligned close to the observer's line of sight leading to strong relativistic beaming effects of the jet emission. Radio observations especially using very long baseline interferometry (VLBI) provide the best way to gain direct information on the intrinsic properties of jets down to sub-parsec scales, close to their formation region. In this thesis, I focus on the properties of three AGNs, IC 310, PKS 2004-447, and 3C 111 that belong to the small non-blazar population of gamma-ray-loud AGNs. In these kinds of AGNs, the jets are less strongly aligned with respect to the observer than in blazars. I study them in detail with a variety of radio astronomical instruments with respect to their high-energy emission and in the context of the large samples in the monitoring programmes MOJAVE and TANAMI. My analysis of radio interferometric observations and flux density monitoring data reveal very different characteristics of the jet emission in these sources. The work presented in this thesis illustrates the diversity of the radio properties of gamma-ray-loud AGNs that do not belong to the dominating class of blazars. / Die energetischsten Versionen von aktiven Galaxienkernen (AGNs) weisen zwei hoch-relativistische Plasmaausflüsse, sogenannte Jets auf, welche in der Nähe des zentralen supermassiven schwarzen Lochs entstehen und sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. In Blazaren, die die extragalaktische Gamma-Strahlung dominieren, sind diese Jets nahe zur Sichtlinie des Beobachters orientiert, das zu starkem relativistischen Beaming der Jetemission führt. Radiobeobachtungen vor allem mit Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bieten die beste Möglichkeit direkt Informationen über die intrinsischen Eigenschaften von Jets in der Nähe ihrer Entstehungsregion auf sub-parsec Skalen zu sammeln. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den Eigenschaften von drei AGNs, IC 310, PKS 2004-447, and 3C 111, die zur kleinen Population von gamma-lauten AGNs abseits von Blazaren gehören. Diese Jets weisen einen etwas größeren Winkel zur Sichtlinie des Beobachters auf als Blazare. Ich untersuche diese AGNs im Detail mit Hilfe verschiedener radioastronomischer Instrumente in Bezug auf deren hochenergetischer Emission und im Vergleich der großen Samples der Langzeitbeobachtungsprogramme MOJAVE und TANAMI. Meine Analyse von Radiointerferometrie-Beobachtungen und Flussdichte-Messungen zeigen sehr unterschiedliche Eigenschaften der Jets. Damit verdeutlicht diese Arbeit anschaulich die vielfältigen Radioeigenschaften von gamma-lauten AGNs, die nicht zur dominierenden Klasse von Blazaren gehören.

University, Diss., 2004--Bonn.

In this thesis, the broad band emission, especially in the gamma-ray and radio band, of the active galaxy IC 310 located in the Perseus cluster of galaxies was investigated. The main experimental methods were Cherenkov astronomy using the MAGIC telescopes and high resolution very long baseline interferometry (VLBI) at radio frequencies (MOJAVE, EVN). Additionally, data of the object in different energy bands were studied and a multi-wavelength campaign has been organized and conducted. During the campaign, an exceptional bright gamma-ray flare at TeV energies was found with the MAGIC telescopes. The results were compared to theoretical acceleration and emission models for explaining the high energy radiation of active galactic nuclei. Many open questions regarding the particle acceleration to very high energies in the jets of active galactic nuclei, the particle content of the jets, or how the jets are launched, were addressed in this thesis by investigating the variability of IC 310 in the very high energy band. It is argued that IC310 was originally mis-classified as a head-tail radio galaxy. Instead, it shows a variability behavior in the radio, X-ray, and gamma-ray band similar to the one found for blazars. These are active galactic nuclei that are characterized by flux variability in all observed energy bands and at all observed time scales. They are viewed at a small angle between the jet axis and the line-of-sight. Thus, strong relativistic beaming influences the variability properties of blazars. Observations of IC 310 with the European VLBI Network helped to find limits for the angle between the jet axis and the line-of-sight, namely 10 deg - 20 deg. This places IC 310 at the borderline between radio galaxies (larger angles) and blazars (smaller angles). During the gamma-ray outburst detected at the beginning of the multi-wavelength campaign, flux variability as short as minutes was measured. The spectrum during the flare can be described by a simple power-law function over two orders of magnitude in energy up to ~10 TeV. Compared to previous observations, no significant variability of the spectral shape was found. Together with the constraint on the viewing angle, this challenges the currently accepted models for particle acceleration at shock waves in the jets. Alternative models, such as stars moving through the jets, mini-jets in the jet caused, e.g., by reconnection events, or gap acceleration in a pulsar-like magnetosphere around the black hole were investigated. It was found that only the latter can explain all observational findings, which at least suggests that it could even be worthwhile to reconsider published investigations of AGN with this new knowledge in mind. The first multi-wavelength campaign was successfully been conducted in 2012/2013, including ground-based as well as space-based telescopes in the radio, optical, ultraviolet, X-ray, and gamma-ray energy range. No pronounced variability was found after the TeV flare in any energy band. The X-ray data showed a slightly harder spectrum when the emission was brighter. The long-term radio light curve indicated a flickering flux variability, but no strong hint for a new jet component was found from VLBI images of the radio jet. In any case, further analysis of the existing multi-wavelength data as well as complimentary measurements could provide further exciting insights, e.g., about the broad band spectral energy distribution. Overall, it can be stated that IC 310 is a key object for research of active galactic nuclei in the high-energy band due to its proximity and its peculiar properties regarding flux variability and spectral behavior. Such objects are ideally suited for studying particle acceleration, jet formation, and other physical effects and models which are far from being fully understood. / Für diese Arbeit wurde die Breitbandemission des Aktiven Galaxienkerns IC 130, der sich im Perseus Galaxienhaufen befindet, speziell im Gammastrahlen- und Radiobereich untersucht. Die experiementellen Methoden, die dabei verwendet wurden, sind Tscherenkow Astronomie mit den MAGIC Teleskopen, und hochauflösende Interferometrie (englisch: very long baseline interferometry, kurz VLBI) bei Frequenzen im Radiobereich (MOJAVE, EVN). Zusätzlich wurden Daten des Objektes in verschiedenen Energiebändern studiert und eine Multiwellenlängen-Kampagne organisiert und durchgeführt. Während der Kampagne wurde ein außergewöhnlicher, heller Gammastrahlenausbruch bei TeV-Energien mit den MAGIC Teleskopen gefunden. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Beschleunigungs- und Emissionsmodellen verglichen, die zur Erklärung von Hochenergiestrahlung in Aktiven Galaxienkernen herangezogen werden. Viele offene Fragen bezüglich der Teilchenbeschleunigung zu sehr hohen Energien in Jets von Aktiven Galaxienkernen, den Teilcheninhalt der Jets, und der Jetentstehung, wurden in dieser Arbeit anhand der Variabilitätseigenschaften von IC 310 im sehr hohen Energiebereich diskutiert. Es stellt sich heraus, dass IC 310 bisher fälschlicherweise als sog. “head-tail” Radiogalaxie klassifiziert wurde. Stattdessen zeigt sich, dass das Variabilitätsverhalten im Radio-, Röntgen-, und Gammastrahlenbereich demjenigen von Blazaren ähnelt. Diese Objekte sind Aktive Galaxienkerne, bei denen Variabilität des Flusses in allen beobachteten Energiebändern und auf allen beobachteten Zeitskalen gemessen werden kann. Bei Blazaren wird ein kleiner Winkel zwischen Jetachse und Sichtlinie vermutet. Die dadurch enstehenden relativistische Aberration und Verstärkung nehmen Einfluß auf die Variabilitätseigenschaften. Beobachtungen von IC 310 mit dem Europäischen VLBI Netzwerk halfen, den Winkel zwischen der Jetachse und der Sichtline auf 10 −20 Grad einzuschränken. Damit ist IC 310 ein Objekt, das sich nicht klar als Radiogalaxie (größere Winkel) oder Blazar (kleinere Winkel) definieren lässt. Während des Gammastrahlenausbruchs, der zu Beginn der Multiwellenlängen-Kampagne detektiert wurde, konnten Flussveränderungen auf Zeitskalen von wenigen Minuten gemessen werden. Das während diesem Ausbruchs gemessene Spektrum kann beschreiben werden mit einem einfachen Potenzgesetz über zwei Dekaden in Energie bis ~10 TeV, ohne dabei Hinweise auf ein Abbrechen zu zeigen. Beim Vergleich mit früheren Beobachtungen konnten keine signifikanten Veränderungen der spektralen Form festgestellt werden. Zusammen mit der Einschränkung des Winkels stellt diese Beobachtung die derzeit weit verbreiteten Modelle der Teilchenbeschleunigung durch Stoßwellen in den Jets grundlegend in Frage. Alternative Modelle, die auf Einflüssen von Sternen, die sich durch den Jet bewegen, oder auf sogenannten Mini-Jets im Jet, die z.B. durch Rekonnektion entstehen, beruhen, wurden diskutiert. Außerdem wurde die Gap-Beschleunigung in einer pulsarähnlichen Magnetosphäre um ein Schwarzes Loch herum studiert. Es zeigte sich, dass nur das letztgenannte Modell alle beobachteten Eigenschaften erklären kann, was mindestens nahelegt, dass es sich lohnen könnte, selbst bereits veröffentlichte Untersuchungen von Aktiven Galaxienkernen unter diesem Wissen neu zu beleuchten. Die erste Multiwellenlängen-Kampagne mit erd- sowie weltraumgebundenen Teleskopen im Radio, optischen, Ultraviolett, Röntgen und Gammastrahlenbereich wurde 2012/2013 erfolgreich durchgeführt. Keine signifikant ausgeprägten zeitlichen Flussveränderungen in den beobachteten Energiebändern konnten nach dem Gammastrahlenausbruch gefunden werden. Die Röntgendaten zeigten ein geringfügig härteres Spektrum mit zunehmenden Fluss. Die Langzeitlichtkurve im Radiobereich wies ein Flackern des Flusses auf, allerdings wurde kein starker Hinweis auf eine neue Jetkomponente in dem VLBI-Radiojet gefunden. In jedem Fall könnten eine weitere Analyse der vorhandenen Daten genauso wie ergänzende Messungen weitere, spannende Einblicke zum Beispiel in die spektrale Energieverteilung auf breiter Skala liefern. Insgesamt lässt sich sagen, dass IC 310 durch sein Nähe und durch besondere Eigenschaften bezogen auf Flussänderungen und spektrales Verhalten ein Schlüsselobjekt für die Erforschung von Aktiven Galaxienkernen im Hochenergiebereich ist. Solche Objekte sind ideale Kandidaten, um Teilchenbeschleunigung, Jetentstehung und andere physikalische Prozesse zu studieren, die noch nicht vollständig verstanden sind.

University, Diss., 2006--Würzburg.

Heidelberg, Univ., Diss., 2006.