Although the contribution to the Isotropic Gamma-Ray Background (IGRB) from unresolved extragalactic objects has been studied for many years, its exact composition and origin are as of yet unknown. It is suspected that diffuse processes such as dark matter annihilation contribute to the total IGRB, as well as unresolved gamma-ray emission from Active Galactic Nuclei (AGN), including radio galaxies. Radio galaxies are a source class that emit strongly at radio wavelengths, some of which have also been detected at gamma-ray wavelengths by the Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), and by very high energy gamma-ray Cherenkov telescopes. It is thought that due to the orientation of their jets, radio galaxies are detected less numerously at gamma-ray energies than blazars. Furthermore, only a small number of radio galaxies have been detected at gamma-ray energies though it is considered that others do as well. It is for these reasons that gamma-ray emitting radio galaxies, an interesting and elusive class of objects, are selected for investigation in this work.
In order to reach the goal of better understanding diffuse processes, it is necessary to model the radio galaxy spectral energy distributions (SEDs). As AGN emission is variable with respect to time, it is critical to use simultaneously collected observations. Calculation of the SED based on simultaneous, multiwavelength data across the electromagnetic spectrum produces a reasonably accurate representation of the state of an object in a given time range. The gamma-ray emitting radio galaxies M 87, NGC 1275, Pictor A, and Centaurus A are selected here based on having been detected in very high energy gamma-rays by Cherenkov telescopes, as well as in other wavelengths. A uniquely consistent analysis approach is applied, in which each radio galaxy is analyzed the same way using simultaneously collected data. This approach sets it apart from other studies.
Fermi-LAT raw data for each source in the sample is analyzed in time ranges which directly overlap the very high energy gamma-ray Cherenkov observations, as well as several other wavelength ranges. A synchrotron self-Compton (SSC) model is applied, which provides accurate treatment of synchrotron and inverse-Compton processes occurring in the jets of AGN, while estimating physical characteristics of the source. It is found that the spectra of M 87, NGC 1275, Pictor A, and Centaurus A can be well described by the same SSC model, producing values for the physical characteristics such as the doppler factor and magnetic field, which are relatively consistent with each other.
In order to characterize the diffuse emission from dark matter self-annihilation, the radio galaxy SEDs are also fit with a dark matter model, resulting in an estimated dark matter particle mass of around 4.7 TeV which lies within predicted ranges.
The highly dense regions near the black holes of AGN provide the optimal conditions for detecting these signatures. It is also found here that discrepancies between the expected emission and the observed emission in the spectra of some radio galaxies can be explained using the combined SSC and dark matter model. As emission from dark matter annihilation is expected to remain steady with respect to time, a key feature of this work is the novelty of the combined SSC and dark matter model, and the finding that dark matter characteristics may be revealed through similar multiwavelength analyses during future low emission states of the AGN.
The radio galaxy sample is then extended to include all gamma-ray emitting radio galaxies detected by the Fermi-LAT, and a calculation of the core radio, total radio, and gamma-ray luminosities is followed through. A future step in extending this work would be to estimate the gamma-ray luminosity function of radio galaxies and their percent contribution to the total IGRB, based on the widely agreed upon assumption that a reasonable estimate of the gamma-ray luminosity function of a population can be attained by appropriately scaling its radio luminosity function, as gamma-ray luminosities and radio luminosities are strongly linearly correlated. This work has also provided the basis for such a calculation by outlining the theory and initial steps.
It is the hope that the vast scope of the gathered data, its simultaneity, and the use of consistent analysis methods across the sample, will provide an improved foundation for a future calculation of the contribution of this population to the IGRB, as well as encourage stricter requirements for multiwavelength studies. / Der Ursprung, sowie die exakte Zusammensetzung des isotropischen Gammastrahlen-Hintergrunds (IGRB), sind trotz jahrelanger Studien über den Einfluss unaufgelöster extragalaktischer Objekte, nicht abschließend geklärt. Es wird für möglich gehalten, dass diffuse Prozesse, wie z.B. die Annihilation dunkler Materie, sowie bisher nicht detektierte Gammastrahlen-Emission aus aktiven Galaxiekernen (AGN), wie zum Beispiel Radiogalaxien, dazu beitragen. Radiogalaxien gehören zu der Gattung der Quellen, die stark im Radiowellenbereich emittieren. Einige dieser Galaxien wurden auch im Wellenlängenbereich von Gammastrahlung mittels des Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) und für sehr energiereiche Gammastrahlung mittels Cherenkov-Detektoren nachgewiesen. Es wird davon ausgegangen, dass die kleinere Anzahl an nachgewiesenen Radiogalaxien im Gammastrahlenbereich, verglichen mit der Anzahl an nachgewiesenen Blazaren, auf die Orientierung ihrer Jets zurückzuführen ist. Des Weiteren wurde bisher nur eine kleine Anzahl an Radiogalaxien im Energiebereich der Gammastrahlung nachgewiesen, obwohl davon auszugehen ist, dass der Nachweis auch für weitere Galaxien möglich ist. Aus diesen Gründen werden Gammastrahlung emittierende Radiogalaxien, eine interessante und schwer auffindbare Klasse an Objekten, zur Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit ausgewählt.
Zur Verbesserung des Verständnisses diffuser Prozesse ist eine Modellierung der spektralen Energiedichteverteilung (SED) notwendig. Da die Emission von AGN zeitlich variiert, ist es wichtig simultan aufgezeichnete Daten für die Analyse zu verwenden. Die Berechnung der spektralen Energiedichteverteilung, basierend auf zeitgleich aufgezeichneten Daten für eine Vielzahl an Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, liefert eine hinreichend genaue Beschreibung des Zustandes eines Objektes innerhalb eines gegebenen Zeitraumes. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Gammastrahlung emittierenden Radiogalaxien M 87, NGC 1275, Pictor A und Centaurus A, da diese mittels Cherenkov-Teleskopen im Bereich hochenergetischer Gammastrahlung, sowie auch in anderen Wellenlängenbereichen, nachgewiesen wurden. Es wird eine, in dieser Form erstmals angewandte, konsistente Untersuchung durchgeführt, bei der jede Radiogalaxie auf identische Weise, mittels zeitgleich aufgezeichneter Daten, analysiert wird. Dieser Ansatz unterscheidet diese Arbeit von vergleichbaren Studien.
Die Fermi-LAT Rohdaten für jede Quelle werden für die Zeiträume analysiert, in denen diese direkt mit der Beobachtung hochenergetischer Gammastrahlung durch Cherenkov-Teleskope, sowie darüber hinaus mit weiteren Wellenlängenbereichen, überlappen. Das Synchrotron Self-Compton (SSC) Modell wird der Analyse zu Grunde gelegt und ermöglicht eine akkurate Beschreibung, der im AGN Jet auftretenden, Synchrotron Prozesse und inversen Compton-Streuung, sowie die Abschätzung physikalischer Charakteristiken der Quelle. Es stellt sich heraus, dass die Spektren von M87, NGC 1275, Pictor A und Centaurus A mit demselben SCC Modell gut beschrieben werden können und relativ konsistente Werte für physikalische Größen, wie zum Beispiel den Doppler-Faktor oder die Magnetfeldstärke liefern.
Zur genaueren Charakterisierung der aus der Annihilation dunkler Materie resultierenden diffusen Emission, werden die SED der Radiogalaxien zusätzlich mit einem Modell für dunkle Materie gefittet. Die daraus resultierende, geschätzte Teilchenmasse für dunkle Materie liegt mit 4.7 TeV innerhalb des vorhergesagten Bereiches. Die hochdichten Regionen in der Nähe der schwarzen Löcher des AGN liefern ideale Voraussetzungen zur Detektion dieser Signaturen. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass etwaige Unterschiede zwischen der erwarteten und der beobachteten Emission in den Spektren einiger Radiogalaxien mittels einer Kombination aus SSC Modell und dunkler Materie Modell erklärt werden können. Unter der Annahme, dass die der Annihilation dunkler Materie zu Grunde liegende Emission zeitlich konstant bleibt, stellen zum einen die Kombination des SSC- und dunkler Materie Modells, sowie die Erkenntnis, dass Charakteristiken dunkler Materie durch ähnliche Multi-Wellenlängen-Experimente während zukünftiger, emissionsarmer Zustände gefunden werden können, die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit dar.
Das Sample der Radiogalaxien wird anschließend erweitert, so dass es alle vom Fermi-LAT detektierte und Gammastrahlung emittierende Radiogalaxien umfasst. Im Anschluss daran wird eine Berechnung der aus dem Kernbereich stammenden, und der totalen Radioluminosität, sowie der Gammastrahlungs-Luminosität durchgeführt. Ein künftiger Schritt zur Erweiterung dieser Arbeit wäre die Abschätzung der Gammastrahlungs-Luminositätsfunktion von Radiogalaxien und deren prozentualer Beitrag zum totalen IGRB, basierend auf der weitläufig akzeptierten Annahme, dass eine vernünftige Abschätzung der Gammastrahlungs-Luminositätsfunktion einer Population mittels einer angemessenen Skalierung ihrer Radio-Luminositätsfunktion erreicht werden kann, da die Gammastrahlungs-Luminosität und die Radioluminosität stark miteinander korrelieren. Diese Arbeit hat die hierfür benötigten Grundlagen für diese Art von Berechnung gelegt, indem sie die Theorie und die ersten Schritte darlegt.
Es ist die Hoffnung, dass der große Umfang der zusammengetragenen Daten, deren Simultanität, und die Anwendung einer konsistenten Analysemethode für das gesamte Sample eine verbesserte Grundlage für zukünftige Berechnungen des Beitrages dieser Population zum IGRB leistet, sowie strengere Anforderung für Multi-Wellenlängen-Experimente.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:21538 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Saxena, Sheetal |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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