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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:11386 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Glawion, Dorit |
| 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-sa/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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