Unvealing the physics of the most active of galaxies: connecting blazar theory and observations

Abstract

Blazars are the most extreme active galactic nuclei, with relativistic jets oriented within a small angle from our line of sight. Because of their preferential alignment, their observed properties are distorted by relativistic effects giving rise to unique phenomena such as boosted emission throughout the electromagnetic spectrum, fast variability, and apparently superluminal motions of resolved jet components. Small variations in the degree of alignment with the line of sight and/or velocity of the jet can result to a large scatter in the resulting observable quantities from otherwise similar sources, complicating our understanding of their intrinsic properties and the processes relevant to their central engines. As a result, despite decades of systematic study of their variability across the electromagnetic spectrum, little is known regarding the properties of blazars in the jet rest frame. For these reasons my thesis was focused on understanding and quantifying the relativistic effects that dominate blazar emission. To this end, I created population models based on robust observables unaffected by variability that describe both the BL Lacs and FSRQs. Using these models I was able to advance our physical understanding of blazars in the following ways: a) the variability and inverse-Compton Doppler factor methods are the optimal available techniques for obtaining observational estimates of blazar Doppler factors which shows that blazars while flaring reach equipartition; b) a significant fraction of deboosted counter-jets will be detected by the next generation interferometers; c) the intrinsic distribution of the timescales of any class of events seen in blazars can be accurately recovered within flux-limited samples even if we can not resolve the relativistic effects on a blazar-by-blazar basis; I applied these findings on various types of blazars observations: F-GAMMA: Using the multi-wavelength radio light curves of the F-GAMMA program, I estimated the variability Doppler factor for 58 gamma-ray loud sources with an uncertainty of 16% on average, making them the most accurate Doppler factors available to date. With these Doppler factors I found a strong correlation between the intrinsic broad-band radio luminosity (2.6-142.33 GHz) and the black hole mass extending nine orders of magnitude to stellar mass black holes. I uncovered the first ever scaling to connect observer's and rest frames in beamed sources.RoboPol: I recovered the intrinsic timescale distribution of the longest (in time) rotations of the Electric Vector Position Angle seen in blazars. I found that that distribution is most likely a narrow Gaussian. OVRO: Modeling the flux-density distribution of sources monitored by the 40-m radio telescope at the Owens Valley Radio Observatory, I found that gamma-ray loud sources are systematically more variable in radio than gamma-ray quiet sources suggesting a link between radio variability and gamma-ray loudness. Reconciling Doppler factor estimates: Using archival X-ray and VLBI radio observations I re-estimated the inverse-Compton Doppler factors for 11 gamma-ray loud sources accounting for the known sources of error in the inverse-Compton Doppler factor method. By comparing my re-estimated values with those from the literature I was able to definitively constrain the Doppler factor for five sources, namely 3C273, 3C345, 3C454.3, PKS1510-089, and PKS1633+382.

Οι φλογαστέρες (blazars) είναι από τους πιο ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (AGN), με σχετικιστικούς πίδακες προσανατολισμένους στο πεδίο της όρασης μας. Εξαιτίας αυτού του προσανατολισμού όλες οι παρατηρούμενες ποσότητες στρεβλώνονται λόγω σχετικιστικών διορθώσεων δημιουργώντας μοναδικά φαινόμενα όπως ενισχυμένη εκπομπή σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, γρήγορη μεταβλητότητα, και φαινομενικά υπερφωτή κίνηση του πίδακα. Μικρές διαφοροποιήσεις στην γωνία θέασης, ή/και στην ταχύτητα του πίδακα μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα μεγάλη διαφοροποίηση στις παρατηρούμενες ποσότητες από σχετικά όμοιες πηγές. Περιπλέκοντας έτσι την κατανόηση μας για τις πραγματικές τους ιδιότητες και τις διεργασίες σχετικές με τις κεντρικές μηχανές τους. Ως αποτέλεσμα, παρά τις δεκαετίες συστηματικής έρευνας πάνω στην μεταβλητότητα τους σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, γνωρίζουμε ελάχιστα για τις ιδιότητες των φλογαστέρων στο σύστημα ηρεμίας του πίδακα. Για αυτούς τους λόγους, οι διατριβή μου εστίασε στον να καταλάβουμε και να ποσοτικοποιήσουμε τα σχετικιστικά φαινόμενα που κατακυριεύουν στην εκπομπή των φλογαστέρων.Δουλεύοντας προς αυτήν την κατεύθυνση, δημιούργησα πληθυσμιακά μοντέλα βασισμένα σε εύρωστες παρατηρούμενες ποσότητες ανεπηρέαστες από την μεταβλητότητα τα οποία περιγράφουν και τα BL Lac αντικείμενα και τους FSRQs. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μοντέλα, κατάφερα προωθήσω την κατανόηση μας για τις φυσικές ιδιότητες των φλογαστέρων με τους εξής τρόπους: α) η μέθοδος της μεταβλητότητας και η μέθοδος του αντίστροφου σκεδασμού Compton για τον υπολογισμό του σχετικιστικού παράγοντα Doppler είναι οι καλύτερες διαθέσιμές μέθοδοι για να υπολογίσουμε παρατηρησιακά τους παράγοντες Doppler σε φλογαστέρες που δείχνει ότι κατά την διάρκεια εκλάμψεων οι φλογαστέρες φτάνουν σε κατάσταση "equipartition"'; β) Ενα σημαντικό μέρος των αντι-πιδάκων θα ανιχνευτούν από τα επομενής γενιάς συμβολόμετρα; γ) η εγγενή κατανομή χρόνων οποιουδήποτε τύπου γεγονότος παρόν σε φλογαστέρες μπορεί να ανακτηθεί με ακρίβεια σε στατιστικά δείγματα " flux-limited" ακόμα και αν δεν έχουμε γνώση για τις σχετικιστικές διορθώσεις για κάθε πηγή. Εφάρμοσα τα ευρήματα μου σε παρατηρήσεις φλογαστέρων: F-GAMMA: Χρησιμοποιώντας τις ραδιοφωνικές χρονοσειρές πολλαπλών μηκών κύματος του προγράμματος F-GAMMA, εκτίμησα τον παράγοντα Doppler με την μέθοδο της μεταβλητότητας για 58 πήγες με ισχυρή εκπομπή στις ακτίνες γ με κατά μέσον όρο 16% αβεβαιότητα, κάνοντας τους τους πιο ακριβής παράγοντες Doppler διαθέσιμους σήμερα. Χρησιμοποιώντας αυτούς του παράγοντες Doppler ανακάλυψα μια δυνατή συσχέτιση μεταξύ τις εγγενής βολομετρικής ραδιοφωνικής λαμπρότητας από 2.6-142.33 GHz και την μάζα της μελανής οπής που εκτείνεται εννέα τάξεις μεγέθους από αστρικής μάζας μέχρι τις πιο μαζικές μελανές οπές στο σύμπαν. Η συσχέτιση αυτή, είναι η πρώτη που ενώνει το σύστημα αναφοράς του παρατηρητή με το σύστημα ηρεμίας του πίδακα σε σχετικιστικά ενισχυόμενες πηγές.RoboPol: Ανέκτησα της εγγενή κατανομή χρόνων των μακρύτερων (σε διάρκεια) στροφών του πεδίου της πόλωσης του συμβαίνει στους φλογαστέρες. Βρήκα ότι η πιθανότερη μορφή αυτής της κατανομής είναι μια στενή κατανομή Gauss. \OVRO: Μοντελοποιώντας την κατανομή της πυκνότητας ροής των πηγών που παρατηρούνται από το 40 μέτρων ράδιοτηλεσκόπιο του Owens Valley Radio Observatory, βρήκα ότι οι πηγές με εκπομπή ακτίνων γ είναι συστηματικά πιο μεταβλητές από αυτές χωρίς εκπομπή ακτίνων γ γεγονός που υποδηλώνει την συσχέτιση μεταξύ της μεταβλητότητας στα ραδιοκύματα και την εκπομπή ακτίνων γ. Συμφιλιώνοντας τις εκτιμήσεις παραγόντων Doppler:Χρησιμοποιώντας αρχειακές παρατηρήσεις ακτίνων Χ και ραδιοφωνικής συμβολομετρίας VLBI ξανα-υπολόγισα τον παράγοντα Doppler με την μέθοδο του αντίστροφου σκεδασμού Compton για 11 πηγες με εκπομπή ακτίνων γ λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις γνωστές πηγές σφαλμάτων τις μεθόδου. Συγκρίνοντας τις ξανα-υπολογισμένες τιμές με αυτές από την βιβλιογραφία κατάφερα να εκτιμήσω με σιγουριά τον σχετικιστικό παράγοντα Doppler για πέντε πηγές, και συγκεκριμένα τις 3C273, 3C345$, 3C454.3, PKS1510-089, και PKS1633+382.