Multiwavelength observations of Active Galactic Nuclei from the radio to the hard X-rays

Multiwellenlängenbeobachtungen Aktiver Galaxienkerne von den Radiowellen bis hin zum harten Röntgenlicht

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-86261
  • Active Galaxies form a peculiar type of galaxies. Their cores, the so-called “Active Galactic Nuclei” (AGN), are the most persistent luminous objects in the universe. The bulk of the radiated energy emerges from a compact region in the center of the AGN. This region is smaller by a factor of about 10^8 than its host galaxy, which measures multiple kiloparsecs (1 parsec ∼ 3.3 light years). Supermassive black holes (SMBHs) reside in the center of these nuclei, which concentrate millions to billions of solar masses roughly within the size of our solar system. These SMBHs deform space-time in a way that even light can not escape their event horizon. The deep gravitational potential of SMBHs alsoActive Galaxies form a peculiar type of galaxies. Their cores, the so-called “Active Galactic Nuclei” (AGN), are the most persistent luminous objects in the universe. The bulk of the radiated energy emerges from a compact region in the center of the AGN. This region is smaller by a factor of about 10^8 than its host galaxy, which measures multiple kiloparsecs (1 parsec ∼ 3.3 light years). Supermassive black holes (SMBHs) reside in the center of these nuclei, which concentrate millions to billions of solar masses roughly within the size of our solar system. These SMBHs deform space-time in a way that even light can not escape their event horizon. The deep gravitational potential of SMBHs also has significant influence on the environmental dynamics. From what we know, AGN draw their enormous energy from the disk-accretion of circumnuclear matter and the associated loss of angular momentum. This disk emits a thermal seed photon field that is Comptonized by coronal, highly energetic electrons to form an X-ray power-law spectrum. The geometry of the corona is still largely unknown. This compact X-ray source is thought to be embedded inside an envelope of gas and dust, which obscures our direct line of sight towards the nuclear X-rays. Due to the nuclear irradiation, the absorbing matter will form a radial ionization gradient. The overall distribution of matter likely concentrates to the plane of accretion but is largely unknown. The “unified paradigm” assumes that AGN are intrinsically identical. They may, however, appear differently depending on their orientation to the absorber. This would in particular imply different appearences of their absorbed X-ray spectra. In about 20% of nearby AGN, massive outflows and jets are also cound along their polar axis. These jets are most likely magnetically collimated funnels and transport relativistic matter at nearly the speed of light. These jets are also a strong source of synchrotron radiation in the radio bands. Black-hole accreting systems can therefore be seen as extremely efficient engines located in the center of circumnuclear gas and dust that interface between the consumption and release of energy, both via radiation and mechanical outflows. These processes, however, occur in a compact region that only measures fractions of a parsec. It can not be spatially resolved with modern X-ray instruments and telescopes, which is why most of its physics remains hidden from our direct perspective. It is the subject of this thesis to unveil the processes inherent to this region, which determines the global energy budget of AGN and their environment. I assess a number of open questions related to: (1) the compact distribution of obscuring gas and dust in AGN, its geometry and dynamics; (2) the location, shape and dynamics of the corona; (3) the physics of the jetted outflows. To do so, I concentrate on dedicated studies of the galaxies NGC 3227, NGC 4151 and 3C 111. The so-called Seyfert galaxies NGC 3227 and NGC 4151 show no signs of strong radio jets but a dominant, nuclear X-ray continuum. The so-called radio galaxy 3C 111, on the other hand, reveals both prominent jets but also a line of sight to the X-ray emitting nucleus. These three sources cover a medium range in redshift (z ∼ 0.003−0.05) and black-hole mass (M_BH = 6x10^6 - 1.8x10^8 M_solar), and a wide range in radio luminosity L_5GHz ~ 10^36 - 10^42 erg s^-1 and obscured fraction and therefore aTllow one to probe a significant part of the parameter space of AGN. Because the compact X-ray emitting and absorbing region of AGN can not be spatially resolved, I use the indirect method of time-resolved X-ray spectroscopy. By analyzing and modeling a wealth of archival, high-resolution X-ray spectra from all modern space-born X-ray observatories, I can infer information on the X-ray emitting corona and the absorbing matter, i.e., address the first two questions in the list above. In particular, I study the evolution of the column densities as well as ionization states of the absorbing environments of NGC 3227 and NGC 4151. These turn out to be highly dynamical in both cases. Although it is challenging to probe all variability time scales, i.e., the entire distribution of matter at all distances from the black hole, the data reveal a wide range of time scales from days to years as well as a range in ionization states and therefore distances to the ionizing source. I find clouds, filaments and wind outflows as opposed to a homogeneous distribution of gas and dust. In both sources, the individual absorbing structures are most likely located at the inner side of the dusty absorbing medium or even closer to the illuminating center. By studying these different structures, this thesis contributes to a picture of AGN beyond the outdated and simplified idea of a near-homogeneous toroidally shaped gas distribution. The peculiar Seyfert galaxy NGC 4151 reveals a rather complex spectrum. In this thesis, I find two main spectral components that are related to the circumnuclear absorber and the X-ray emitting corona. Both describe similar spectral features that are difficult to disentangle without a sufficiently high data quality. The first points towards a strongly variable absorber. The latter to reflection of coronal X-rays off the inner accretion disk in close vicinity to the black hole. Consequently, the effects of strong gravity lead to a reflection spectrum, where intrinsically narrow line features become relativistically broadened. This reflection component is best fitted with the most recent ray-tracing code relxill, which considers a realistic and self-consistent lamp-post geometry. The results presented here, strongly suggest an X-ray corona that extends along the system polar axis and potentially forms the base of a weak jet that has been observed in NGC 4151. Eventually, I concentrate on collimated jets, their physics, and dynamics. As a target, I choose 3C 111, which is known for its powerful radio jets that carry enourmous amounts of energy far into the intergalactic medium. In order to address their physics and connection with the central engine one needs to study the inner jet in close vicinity to the launching site. I use the technique of “Very Long Baseline Interferometry (VLBI)” to image the radio emission of this region of 3C 111 with a network of large radio telescopes spread all over the globe. VLBI reaches a unique resolution of milliarcseconds (sub-parsec scales for 3C 111) that is 50-times better than that of the Hubble Space Telescope. The system orientation of 3C 111 results in a foreshortened jet that appears one-sided due to relativistic beaming. Monthly spaced observations over five years allow one to identify distinct emission features that follow a common downstream trajectory after being ejected from the jet-base. The additional information contained in the polarized light enables one to assess the underlying magnetic field structure of the inner jet of 3C 111. The downstream evolution of the electric vectors indicates complex processes that involve either structural changes in the magnetic field configuration of the jet or the interaction of propagating shocks with a standing shock of the underlying magnetohydrodynamical flow. The electromagnetic emission of many jetted AGN is dominated by the synchrotron and Comptonized emission of their jets. 3C 111 is peculiar in a sense that it shows both strong and beamed jet emission and a prominent X-ray spectrum originating from the nuclear environment. This provides a great chance to improve our understanding on how jets are fed by matter from the compact accreting environment. I can confirm previous investigations of the disk-jet connection in 3C 111 and detect numerous dips of the X-ray flux followed by radio-jet ejecta. Also, I observe a significant γ-ray flare in coincidence with a radio ejection event, which allows one to discuss the much-debated γ-ray emitting site. In summary, this thesis provides comprehensive insights into the various appearances of AGN. Due to the large masses of their black holes, AGN evolve on cosmological time scales, too long to be probed during the life time of a human being. Instead, this work illuminates a number of snap-shots of AGN and offers deep insights into all aspects of energy consumption and release, i.e., inflow and feedback processes and also touches upon the intrinsic geometry of these engines.show moreshow less
  • Aktive Galaxien bilden eine besondere Klasse von Galaxien. Ihre Kerne sind die leuchtstärksten Objekte im Universum. Der Großteil der beobachtbaren Energie wird von einer kompakten Region im Zentrum dieser aktiven Galaxienkerne (AGN) abgestrahlt. Der Durchmesser der Galaxie selbst beträgt dabei mehrere Kiloparsec (1 parsec ∼ 3.3 Lichtjahre) und übersteigt den der kompakten Region um einen Faktor von mehr als 10^8. Im Zentrum dieser AGN befindet sich mit hoher Sicherheit ein supermassives schwarzes Loch, welches Millionen bis Milliarden Sonnenmassen in sich vereint. Schwarze Löcher sind in der Lage das Raum-Zeit Gefüge derart zu verzerren, dass auch Licht nicht aus ihrem Einflussbereich, demAktive Galaxien bilden eine besondere Klasse von Galaxien. Ihre Kerne sind die leuchtstärksten Objekte im Universum. Der Großteil der beobachtbaren Energie wird von einer kompakten Region im Zentrum dieser aktiven Galaxienkerne (AGN) abgestrahlt. Der Durchmesser der Galaxie selbst beträgt dabei mehrere Kiloparsec (1 parsec ∼ 3.3 Lichtjahre) und übersteigt den der kompakten Region um einen Faktor von mehr als 10^8. Im Zentrum dieser AGN befindet sich mit hoher Sicherheit ein supermassives schwarzes Loch, welches Millionen bis Milliarden Sonnenmassen in sich vereint. Schwarze Löcher sind in der Lage das Raum-Zeit Gefüge derart zu verzerren, dass auch Licht nicht aus ihrem Einflussbereich, dem Ereignishorizont, entweichen kann. Für schwarze Löcher der oben beschriebenen Masse, ist die Ausdehnung des Ereignishorizonts vergleichbar mit dem Orbit Plutos in unserem Sonnensystem. Ihr tiefes Gravitationspotential hat einen signifikanten Einfluss auf die Dynamik der Materie sowohl in direkter als auch in weiter entfernter Umgebung. Nach aktuellem Kenntnisstand beziehen AGN ihre enorme Energie aus Materie, die durch den Prozess der Akkretion ihren Drehimpuls verliert und damit in Richtung des gravitativen Zentrums kanalisiert wird. Damit bildet sich eine Scheibe um das schwarze Loch aus, welche in Folge der Akkretion thermische Photonen emittiert. Hochenergetische Elektronen in der sogenannten Corona in direkter Umgebung zur Scheibe sind in der Lage diesem thermischen Photonfeld mittels des inversen Comptoneffekts Energie zu übertragen. Das Resultat ist die beobachtete hochenergetische Röntgenemission, deren spektraler Verlauf einem Potenzgesetz entspricht. Die Geometrie der Corona ist Gegenstand aktueller Forschung. Man geht dabei von einer extrem kompakten Röntgenquelle aus, die sich hinter Gas und Staub innerhalb des AGN verbirgt und deren Strahlung durch eben diese absorbiert wird. Durch dieEinstrahlung der Röntgenquelle bildet sich ein radialer Ionisationsgradient in dieser Materie aus, welche sich dabei höchstwahrscheinlich verstärkt in der Nähe der Akkretionsebene konzentriert. Die genaue Verteilung ist jedoch noch weitestgehend unbekannt. Das “unified paradigm” postuliert, dass sich die Kerne aktiver Galaxien intrinsisch gleichen und insbesondere ihre Röntgenspektren abhängig von der Orientierung der Kerne zum Beobachter verändert in Erscheinung treten. In ca. 20% benachbarter Galaxien finden sich darüberhinaus von magnetischen Feldern kollimierte Materieausflüsse, sogenannte Jets, entlang der Symmetrieachse der AGN. Diese Jets beschleunigen Materie bis hin zu relativistischen Geschwindigkeiten und emittieren dabei starke Synchrotronstrahlung im Radiolicht. Akkretierende schwarze Löcher können im weitesten Sinne mit Antrieben verglichen werden, deren Treibstoff (die akkretierte Materie) das Freiwerden immenser Energien (sowohl hochenergetisches Licht als auch beschleunigte Materie) bedingt und deren Wirkungsgrad den der Nuklearfusion um circa eine Größenordnung übersteigt. Es ist Gegenstand dieser Arbeit die Prozesse in dieser kompakten Region näher zu verstehen, welche den Energiehaushalt von AGN und deren Umwelt maßgeblich bestimmen. Die folgenden Themen werden im Weiteren näher beleuchtet: (1) Die Verteilung absorbierender Materie in AGN, ihre Geometrie und Dynamik; (2) Die Lage, Geometrie und Dynamik der Corona; (3) Die Physik kollimierter Jets entlang ebendieser Pole; Ich konzentriere mich dabei auf tiefgreifende Analysen der aktiven Galaxien NGC 3227, NGC 4151 und 3C 111. Die sogenannten Seyfert Galaxien NGC 3227 und NGC 4151 weisen keine Spuren prominenter Radiojets auf, sind aber bekannt für einen Röntgen-hellen Kern. Kollimierte Radiojets sind dagegen das Markenzeichen der sogenannten Radiogalaxie 3C 111, welche, im Gegensatz zu anderen jet-dominierten Galaxien, ebenfalls eine Studie des Kernes im Röntgenlicht gestattet. Diese drei Fälle decken weite Teile des bekannten Parameterraums aktiver Galaxien ab. Die Massen derer schwarzen Löcher erreichen Werte zwischen 6x10^6 und 1.8x10^8 Sonnenmassen. Ihre Rotverschiebungen finden sich innerhalb z ∼ 0.003 - 0.05, ihre Radioleuchtkräfte innerhalb ~10^36 - 10^42 erg s^-1 (bei 5 GHz). Der Schauplatz der Akkretion und Röntgenemission sowie der Haupteinflussbereich der absorbierenden Materie messen jedoch nur Bruchteile eines Parsecs im Zentrum der AGN. Diese Skalen können mit modernen Teleskopen nicht räumlich aufgelöst werden. Ich bediene mich in meiner Arbeit daher indirekter Methoden und analysiere die zeitliche Veränderung charakteristischer Röntgenspektren. Durch die Analyse großer Mengen archivierter Daten moderner allgebundener Röntgentenobservatorien, ist es mir möglich weitreichende Informationen über die Corona als Röntgenquelle, sowie die absorbierende Materie zu gewinnen. Im Bezug auf die AGN NGC 3227 und NGC 4151 studiere ich insbesondere die zeitliche Entwicklung des absorbierenden, höchst variablen Mediums und dessen Ionisationsstruktur. Obwohl es auf Grund der allgemeinen Datenlage nicht gestattet ist die gesamte Bandbreite an Zeitskalen und damit ein lückenloses Bild der umgebenden Materie zu erfassen, erlauben die untersuchten Variabilitätszeitskalen von Tagen bis Jahren sowie eine Reihe verschiedenster Ionisationszustände das Bild bestmöglich zu rekonstruieren. Die Entdeckung einzelner Wolken, Filamente und Winde tragen dabei zu einem revolutionierten Bild der Strukturen in AGN bei, welche eine deutliche Verbesserung zur ursprünglichen Vorstellung eines homogenen torusähnlichen Bandes von Materie stehen. Hervorzuheben ist die Galaxie NGC 4151. Eine Zerlegung ihres komplexen Röntgenspektrums trägt zwei herausragende Modellkomponenten zu Tage. Beide Komponenten beschreiben einen ähnlichen spektralen Verlauf des Kontinuums und sind nur bei guter Datenlage voneinander zu trennen. Die erste Spektralkomponente birgt weitreichende Informationen über die Variabilität des absorbierenden Mediums innerhalb des AGN. Die zweite Komponente zeugt von coronalem Röntgenlicht, welches den inneren Teil der Akkretionsscheibe beleuchtet und anschließend in unsere Sichtlinie reflektiert wird. Da sich hier das einfallende und reflektierte Licht durch den deutlichen Einfluss des Gravitationspotentials auf gekrümmten Bahnen bewegt, sowie energetisch unter dessen Einfluss steht, erlaubt das reflektierten Spektrums Rückschlüsse auf eine vertikal, entlang der Symmetrieachse des Systems ausgedehnte Corona. Diese stellt dabei womöglich auch die Basis des schwachen Jets dar, welcher im Radiolicht erkennbar ist. Des Weiteren konzentriert sich meine Arbeit auf eben diese Jets, ihre Physik und Dynamik. Eine offene und relevante Frage ist hierbei die Interaktion des inneren Teils des Jets mit dem AGN als antreibende Kraft. Die Radiogalaxie 3C 111 erweist sich als prädestiniert, um diese Frage zu beantworten. Um den höchst kompakten inneren Teil des Jets abbilden zu können, stütze ich mich auf eine Anzahl großer Radioteleskope, welche, über den Globus verteilt, ein umfassendes Interferometernetzwerk bilden. Die Auflösung dieses Interferometers erreicht die Größenordnung von Millibogensekunden (Bruchteile eines Parsecs für den Fall von 3C 111), welche ein 50-faches besser ist als die des Hubble Weltraumteleskops. Die hohen Geschwindigkeiten der geführten Materie und der geringe Winkel (10-25 Grad) des Jets zur Sichtlinie führt zu einer relativistischen Verstärkung der Synchrotronemission des uns zugewandten Jets. In meiner Arbeit analysiere ich einen umfassenden Datensatz monatlicher Beobachtungen über einen Zeitraum von fünf Jahren. Deutlich erkennbar sind einzelne kompakte Emissionsregionen, die am Fuß des Jets erscheinen und sich gleichförmig bis beschleunigt nach außen bewegen. Die physikalischen und dynamischen Prozesse innerhalb des magnetisierten Plasmas lassen sich hierbei ideal im polarisierten Radiolicht ergründen. Die Veränderung der elektrischen Vektoren einzelner Emissionskomponenten über die Zeit und die zunehmende Distanz vom Fuß des Jets, lässt mich auf das Vorliegen komplexer zugrundeliegender Prozesse schließen. In Frage kommen hierfür entweder eine strukturelle Veränderung der magnetischen Felder oder eine Interaktion propagierender Schockfronten mit einem Rekollimationsschock innerhalb des Jets. In den meisten Fällen ist das gesamte abgestrahlte Spektrum vom Radiolicht bis hin zu den höchsten Energien in Gamma-Bereich dominiert durch die Emission dieser Jets. 3C 111 hingegen gestattet eine direkte Sichtlinie zum akkretierenden Kern und damit die Untersuchung dessen “Fußabdrucks” im Röntgenlicht. In meiner Arbeit ergänze ich vorhandene Studien und bestätige eine deutliche gegenseitige Abhängigkeit von Jets und akkretierter Materie am Beispiel von 3C 111. Dies geht zurück auf die Entdeckung einer Reihe von Einbrüchen der Röntgenemission, welche den beobachteten Auswurf neuer Emissionskomponenten bedingen. Gleichzeitig zu einer solchen Ejektion dokumentiere ich darüberhinaus einen erstmalig signifikanten Gamma-Strahlenausbruch, welcher eine solide Diskussion über den Ursprung der γ-Strahlung in 3C 111 erlaubt. Diese Arbeit gewährt umfassende Einblicke in die mannigfaltigen Erscheinungsformen aktiver Galaxien und ihrer Kerne. Obwohl die hier studierten AGN durch die hohen Massen ihrer zentralen schwarzen Löcher nur Momentaufnahmen akkretierender Systeme darstellen, welche sich auf kosmologischen Zeitskalen entwickeln, erlaubt diese Schrift tiefe Einblicke in die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge. Sie ergründet fundamentale Aspekte im Zusammenhang mit dem Umsatz enormer Energien in AGN. Dazu gehören eine Studie der Akkretion und Rückkopplung von Materie sowie der Geometrie der Röntgenquelle innerhalb der aktiven Galaxienkerne, welche mit bildgebenden Verfahren nicht räumlich aufzulösen sind.show moreshow less

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Metadaten
Author:Tobias Beuchert
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-86261
Referee:Joern Wilms, Matthias Kadler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/07/23
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2017/06/20
Release Date:2017/07/24
Tag:Radioastronomie; Röntgenastronomie
Active Galactic Nucleus; Black Holes; Radio Galaxy; Seyfert Galaxies
SWD-Keyword:Astronomy; Astrophysics
Length/size:183
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht
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