Multi-wavelength studies of TeV gamma-ray emitting BL Lac objects

Multifrequenz Untersuchungen von TeV Gamma-Strahlung emittierenden BL Lac Objekten

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-40388
  • The discovery of TeV gamma-ray emission of BL Lac objects gave new insights in the particle acceleration and the emission processes of the highly relativistic jets. To shed light on the conditions in the high energetic jets of the TeV gamma-ray emitting BL Lac objects, I have studied in great detail the spectral energy distribution (SED) of sources with different characteristics. BL Lac objects with exceptional very high energy spectra (soft and hard spectra) and with large differences in the emission peak frequencies, to cover the different classes of BL Lac objects, have been chosen. The basic aim of this thesis was, to study with new, simultaneous multi- avelength (MWL) observations, ifThe discovery of TeV gamma-ray emission of BL Lac objects gave new insights in the particle acceleration and the emission processes of the highly relativistic jets. To shed light on the conditions in the high energetic jets of the TeV gamma-ray emitting BL Lac objects, I have studied in great detail the spectral energy distribution (SED) of sources with different characteristics. BL Lac objects with exceptional very high energy spectra (soft and hard spectra) and with large differences in the emission peak frequencies, to cover the different classes of BL Lac objects, have been chosen. The basic aim of this thesis was, to study with new, simultaneous multi- avelength (MWL) observations, if the emission processes of these extreme cases of TeV BL Lac objects can be explained by the synchrotron Self-Compton (SSC) model which is well established for the class of BL Lac objects at lower energies. We proposed MWL observations in the optical, UV and X-ray regime, to be conducted simultaneous to very high energy observations with the H.E.S.S. experiment, to study the emission processes. Simultaneous observations are crucial, since BL Lac objects are variable at all wavebands. I have analysed the MWL observations and conducted detailed variability and spectral studies in each wavelength range. The different kind of absorption at each wavelength as well as the influence of the host galaxy of the AGN has been considered to obtain the intrinsic jet spectrum. I have then applied the commonly used theoretical jet model, the SSC model, to the SED. I conducted a MWL campaign on a BL Lac object with the softest TeV spectrum, PKS 2005-489, during which it was observed in a very bright X-ray state. The good spectral coverage of the emission peaks allowed a detailed study of the SSC model. The extreme BL Lac object 1ES 0229+200 exhibits a hard intrinsic TeV spectrum. With my MWL campaign I found a clear cut-off in the optical range and therefore a high minimum Lorentz factor is needed to describe the SSC emission. RGB J0152+017 has lower frequencies of the emission peaks. In our MWL campaign during its TeV detection, we found intraday variability in the optical range. A change of the synchrotron emission peak to very low frequencies within one month was also detected during the MWL observations. TeV gamma-ray emission was detected from AP Librae, a BL Lac object with very low frequencies of the emission peaks, in 2010. In my instantaneous study of MWL data, I detected a clear extended non-thermal X-ray jet. A general conclusion in this project is, that the SSC model is a reasonable description for the SED of TeV gamma-ray emitting BL Lac objects with emission peaks at high frequencies. For AP Librae instead, a multi-component or external Compton model is needed to represent the broadband spectra. Due to the different characteristics and constraints of the sources, different SSC model resulted. Most SSC model are synchrotron dominated or with equal fluxes in the synchrotron and IC emission peaks. No trend of peak luminosity with peak frequency, as originally presented as blazar sequence, could be identified.show moreshow less
  • Die Entdeckung von TeV Gamma-Strahlung von BL Lac Objekten ergab neue Einblicke in die Teilchenbeschleunigung und die Emissionsprozesse der relativistischen Jets. Um die Konditionen in den hoch energetischen Jets von diesen TeV Gamma-Strahlung emittierenden BL Lac Objekten zu beleuchten, habe ich die spektrale Energieverteilung von Quellen mit unterschiedlichen Characteristika im Detail untersucht. BL Lac Objekte mit aussergewoehnlichen Hochenergie-Spektren (weiche und harte Spektren) und mit grossen Unterschieden in den Frequenzen der Emissionsmaxima wurden ausgewaehlt, um die verschiedenen Klassen von BL Lac Objekten abzudecken. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung anhandDie Entdeckung von TeV Gamma-Strahlung von BL Lac Objekten ergab neue Einblicke in die Teilchenbeschleunigung und die Emissionsprozesse der relativistischen Jets. Um die Konditionen in den hoch energetischen Jets von diesen TeV Gamma-Strahlung emittierenden BL Lac Objekten zu beleuchten, habe ich die spektrale Energieverteilung von Quellen mit unterschiedlichen Characteristika im Detail untersucht. BL Lac Objekte mit aussergewoehnlichen Hochenergie-Spektren (weiche und harte Spektren) und mit grossen Unterschieden in den Frequenzen der Emissionsmaxima wurden ausgewaehlt, um die verschiedenen Klassen von BL Lac Objekten abzudecken. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung anhand von neuen, simultanen Multifrequenz-Beobachtungen, ob die Emissionsprozesse dieser TeV BL Lac Objekte mit dem Synchrotron Selbst-Compton (SSC) Modell, welches etabliert ist fuer die Klasse der BL Lac Objekte bei niedrigeren Energien, erklaert werden kann. Wir haben Multifrequenz-Beobachtungen im optischen, UV und Roentgenbereich beantragt, welche simultan mit Beobachtungen bei hohen Energien mit dem H.E.S.S. Experiment durchgefuehrt werden sollten, um die Emissionsprozesse zu studieren. Simultane Beobachtungen sind besonders wichtig, da BL Lac Objekte in allen Wellenlaengen variable sind. Ich habe die Multifrequenz-Beobachtungen analysiert und detailierte Variations- und spektrale Studien in jedem Wellenlaengen Bereich durchgefuehrt. Die verschiedenen Arten von Absorption in jeder Wellenlaenge sowie der Einfluss der Muttergalaxie der AGN wurden beruecksichtigt, um das intrinsische Jet Spektrum zu erhalten. Dann habe ich das gebraeuchliche theoretische Jet Modell, das SSC Modell auf die spektrale Energieverteilung angewendet. Ich habe eine Multifrequenz-Kampagne eines BL Lac Objektes mit einem sehr weichen TeV Spektrum, PKS 2005-489, durchgefuehrt. Die Quelle wurde in einem sehr hellen Roentgenstatus beobachtet. Die gute spektrale Ueberdeckung der Emissionsmaxima erlaubt eine detailierte Untersuchung des SSC Modells. Das extreme BL Lac Objekt 1ES 0229+200 weist ein hartes intrinsisches TeV Spektrum auf. Mit meiner Multifrequenz-Kampagne, konnte ich einen klar definierten Abbruch der Emission im optischen Bereich entdecken. Daher benoetigt man einen hohen minimalen Lorentz Faktor, um die SSC Emission zu beschreiben. RGB J0152+017 hat Emissionsmaxima bei geringeren Frequenzen. In unserer Multifrequenz-Kampagne waehrend der Entdeckung von TeV Gammastrahlung fanden wir Variationen der optischen Strahlung auf einer Zeitskala von Stunden. Ebenso wurde eine Aenderung der Synchrotronemission zu niedrigeren Frequenzen innerhalb eines Monats entdeckt waehrend der Multifrequenz-Beobachtungen. TeV Gammastrahlung von AP Librae, einem BL Lac Objekt mit Emissionsmaxima bei sehr niedriegen Frequenzen, wurde in 2010 entdeckt. In meiner unverzueglichen Untersuchung der Multifrequenz Daten entdeckte ich einen deutlichen, ausgedehnten, nicht-thermischen Roentgenjet. Eine allgemeine Schlussfolgerung dieses Projektes ist, dass das SSC Modell eine vernuenftige Beschreibung der spektralen Energieverteilungen von TeV Gamma-Strahlung emittierenden BL Lac Objekten mit Emissionmaxima bei hohen Frequenzen ist. Stattdessen, braucht man fuer AP Librae ein mehrkomponenten oder ein externes Compton Modell, um die Breitbandspektren wiederzugeben. Durch die verschiedenen Charakteristika und Einschraenkungen der Quellen resultierten verschiedene SSC Modelle. Die meisten SSC Modelle sind Synchrotron dominiert oder besitzen gleiche Helligkeiten in den Synchrotron und IC Maxima. Es konnte keine Korrelation zwischen der Luminositaet und der Frequenz der Emissionsmaxima, wie es urspruenglich als Blazar-Sequenz presentiert wurde, ermittelt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Sarah Sabine Kaufmann
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-40388
Referee:Christian Stegmann, Stefan Wagner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/12/21
Release Date:2014/01/03
Tag:BL Lac objects; active galactic nuclei (AGN); astroparticlephysics; high energy astrophysics; multifrequency studies
SWD-Keyword:astrophysics
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 539 Moderne Physik
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix)
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht