Multi-wavelength polarimetric studies of relativistic jets in active galactic nuclei

Resumen

ABSTRACT (English): This Thesis is focussed on the study of relativistic jets, commonly present in multiple astrophysical sites, from active galactic nuclei (AGN), to micro- quasars or gamma-ray bursts (GRBs). In the case of AGN, huge amounts of energy across the whole electromagnetic spectrum are released as a conse- quence of the accretion of material onto a supermassive back hole lurking at their centers. The accretion leads to the formation of a pair of very powerful and highly collimated jets extending far beyond the size of the host galaxy. We analyzed the correlation between the multi-wavelength emission and the radio jet in three powerful AGN, the radio galaxies 3C 120 and M 87, and the quasar CTA 102. The main goal of this Thesis is to obtain a better understanding of the jet dynamics and the role played by the magnetic field, and to determine what are the sites and mechanisms for the production of the γ-ray emission observed in these sources. We have performed multi-wavelength studies of the radio galaxy 3C 120 and the blazar CTA 102 during unprecedented γ-ray flares for both sources. The NASA satellite Fermi registered in September-October 2012 a bright γ-ray flare in CTA 102, and between December 2012 and October 2014 a prolonged γ-ray activity in the radio galaxy 3C 120. In both studies, to de- termine where the γ-ray emission is produced, the analysis of Fermi data has been compared with a detailed study of the morphology and evolution of the parsec scale jet through a series of extremely-high angular resolution Very Long Baseline Array (VLBA) images at 43 GHz from the Boston Uni- versity blazar monitoring program, in which our research group is actively participating. In the case of 3C 120 we have also collected 15 GHz VLBA data from the MOJAVE (Monitoring of Jet in Active Galactic Nuclei with VLBA Experiments) program, extending our study of the radio jet from Ju- ne 2008 to May 2014. For the study of CTA 102 a total of 80 VLBA images at 43 GHz have been analyzed and compared with observations across the whole electromagnetic spectrum between June 2004 and June 2014. These include observations at millimeter, near-infrared, and optical bands from observatories across the world, as well as ultraviolet and X-ray data from the Swift satellite. Our multi-wavelength observations of 3C 120 and CTA 102 have revealed very similar properties during γ-ray events in both sources, despite representing very different classes of AGN. We found that in both sources the γ-ray flares are associated with the passage of knew superluminal components th- rough the millimeter VLBI core, corresponding to the bright emission at the upstream end of the jet. But not all ejections lead to γ-ray emission; in fact bright superluminal components have been observed crossing the millimeter VLBI core without having a counterpart at γ-ray energies. We have found that in both sources γ-ray flares occurred only when the new component is moving in a direction closer to our line of sight. We located the γ-ray dissipation zone a short distance downstream of the radio core but outside of the broad line region, suggesting synchrotron self-Compton scattering as the probable mechanism for the γ-ray production. In addition, during the multi-wavelength outburst observed in CTA 102 the optical polarized emission displayed intra-day variability and a clear clockwise rotation of the polarization vectors, which we associated with the path followed by the component as it moves along helical magnetic field lines. These results have been reported in two papers published in a high-impact peer-reviewed journal (Casadio et al., 2015a,b) that we present here in their original form. The location of γ-ray activity close to the radio core and far from the black hole in both 3C 120 and CTA 102 implies that we need a mechanism to reaccelerate particles in situ; this can naturally be explained by identifying the radio core with a recollimation shock. Hence, it is important to understand the physics of recollimation shocks and their observational signatures. For this purpose we have performed polarimetric studies of the jets in the radio galaxies 3C 120 and M 87 aimed to understand the nature of the peculiar emitting regions known as C80 and HST-1, located hundreds of parsecs from the core of the jet. In Agudo, G ́omez, Casadio, et al. (2012) we analyzed polarimetric VLBA observations at 5, 8, 12, and 15 GHz of the jet in 3C 120 revealing that the stationary component C80 corresponds to the peak emission of a larger and more extended emission structure in arc, downstream of which other moving components are observed. The agreement between our observations and numerical simulations led us to conclude that the emitting region C80 corresponds in fact to a recollimation shock located ∼190 pc from the core of the jet. Interestingly, our observations of the peculiar structure HST-1 in the radiogalaxy M 87 revealed a similar structure to that observed in C80 of 3C 120; in Giroletti et al. (2012) we found that HST-1 corresponds to an extended emission structure in which new components appear to be released from the stationary upstream end of HST-1. It has been suggested that very high-energy emission has been originated in the HST-1 region. However, our new VLBA and JVLA observations of M 87 confirmed that HST-1 was in a low energy state between 2011 and 2013, ruling out its implication in the high energy flare in M 87 in March 2012, as we pointed out also in Hada et al. (2014). In this Thesis we have found that, in both radio galaxies and blazars, the γ-ray flares, often in coincidence with outbursts at other energy bands, are related to the orientation of the jet and to the interaction between a moving and a stationary shock (the core). We observed also that these decollimation shocks are present in many AGN jets and besides the core, as predicted by numerical simulations, they can also be found along the jet as we observed in the radio galaxies M 87 and 3C 120. RESUMEN (Español): Esta Tesis está enfocada en el estudio de los jets relativistas, comúnmente presentes en numerosos escenarios astrofísicos, desde los núcleos de galaxias activas (AGN) hasta los microcúasares y las explosiones de rayos gamma (GRBs). En el caso de los AGN, observamos una gran cantidad de radiaci ́on emitida a lo largo de todo el espectro electromagn ́etico debida a la acreci ́on de material por parte de un agujero negro supermasivo situado en el interior de estas galaxias. La acreción de material lleva a la formación de dos jets relativistas muy brillantes y bien colimados que se extienden mucho mas allá de la extensión de la propia galaxia. Hemos analizados la correlación entre la emisión multi-frecuencia y el jet en radio en tres AGN muy brillantes: las radio galaxias 3C 120 y M 87 y el cúasar CTA 102. El objetivo principal de esta Tesis es obtener un mejor conocimiento de la dinámica de los jets y del papel jugado por el campo magnético, as ́ı como determinar cuáles son las regiones y los mecanismos de emisión involucrados en la producción de emisión en rayos γ observadas en estas fuentes. Hemos realizado estudios multi-frecuencia de la radio galaxia 3C 120 y del blazar CTA 102 en coincidencia con extraordinarios flares de rayos γ observados en ambas fuentes. El sat ́elite Fermi de NASA ha registrado en septiembre-octubre 2012 un flare γ brillante en CTA 102 y, entre diciembre de 2012 y octubre de 2014, actividad γ prolongada en la radio galaxia 3C 120. En ambos estudios, a fin de determinar dónde se ha producido la emisión γ, el análisis de los datos de Fermi ha sido comparado con un estudio detallado de la morfología y evolución del jet a escala del parsec a través de una serie de imágenes interferometricas a muy alta resolución angular obtenidas con el Very Long Baseline Array (VLBA) a 43 GHz. Estas observaciones forman parte del Boston University blazar monitoring program, en el cuál colabora nuestro grupo de investigación. En el caso de 3C 120 hemos también recopilado datos VLBA a 15 GHz del programa MOJAVE (Monitoring of Jet in Active Galactic Nuclei with VLBA Experiments), extendiendo así el estudio del jet en radio desde junio de 2008 a mayo de 2014. Respecto al estudio de CTA 102, hemos analizado un total de 80 imágenes a 43 GHz y las hemos comparado con datos a lo largo de todo el espectro electromagnético, cubriendo el periodo de observación desde junio de 2004 hasta junio de 2014. Éstos últimos incluyen observaciones a longitudes de ondas milimetricas, del infrarrojo cercano y en la banda óptica, obtenidas con diferentes observatorios alrededor del mundo, así como datos a frecuencias ultravioleta y rayos X, obtenidos con el satélite Swift. Nuestros estudios multi-frecuencia de 3C 120 y CTA 102 han revelado características muy similares en ambas fuentes durante los flares en rayos γ, de especial relevancia teniendo en cuenta que éstas fuentes representan clases muy distintas de AGN. Hemos encontrado que los flares γ en ambas fuentes están asociados con el paso de una nueva componente superlumínica a través del mm-VLBI core, correspondiente a la región mas brillante desde donde se extiende el jet. No obstante, no todas las eyecciones de componentes producen emisión en γ; de hecho hemos observado eyecciones de nuevas componentes superluminicas sin que produzcan una contrapartida en rayos γ. Hemos observado que en ambas fuentes la emisión en rayos γ se produce solamente cuando la nueva componente se mueve en una dirección cercana a nuestra linea de visión. Hemos determinado que la zona de emisión γ se produce a una pequeña distancia desde el core radio y lejos de la broad line region, y por ello sugerimos el proceso de scattering synchrotron self-Compton como el mecanismo más probable de producción de fotones γ. Por otra parte, durante el flare multi-frequencia observado en CTA 102 la emisión óptica polarizada muestra una variabilidad en escalas de horas y también una clara rotación del vector de polarización que asociamos al paso de la componente por la región de aceleración y colimación del jet en el que las lineas del campo magnético tienen una estructura helicoidal. Estos resultados han sido presentados en dos artículos, publicados en una revista internacional con arbitraje y de alto factor de impacto (Casadio et al., 2015a,b), que se incluyen en esta Tesis en su formato original. La localización de la actividad γ cerca del radio core y lejos del agujero negro tanto en 3C 120 como en CTA 102 implica que necesitamos un mecanismo de aceleración de partículas in situ; esto lleva a considerar el core como un choque de recolimación. Por lo tanto, es importante entender la física de los choques de recolimación y cuáles podrían ser las evidencias observacionales relacionadas con estos choques. A tal propósito hemos realizado estudios polarimétriycos del jet en las 2 radio galaxias 3C 120 y M 87 para estudiar la naturaleza de las regiones de emisión conocidas como C80 y HST-1 y localizadas a cientos de parsec del core del jet. En Agudo, Gómez, Casadio, et al. (2012) hemos analizados observaciones VLBA polarimétricas a 5, 8, 12 y 15 GHZ del jet de 3C 120 que han revelado que la componente estacionaria C80 en realidad corresponde al pico de emisión de una región mas alargada y extensa con forma de arco, detrás de la cuál salen otras componentes que luego viajan a lo largo del jet. La concordancia entre nuestras observaciones y las simulaciones numéricas nos lleva a concluir que la región de emisión C80 corresponde efectivamente a un choque de recolimación situado a ∼190 pc desde el core del jet. Curiosamente, nuestras observaciones de la peculiar estructura HST-1 en la radio galaxia M 87 revelan una estructura similar a la que observamos en la componente C80 en 3C 120; en Giroletti et al. (2012) hemos encontrado que HST-1 corresponde a una región de emisión extensa en la que nuevas componentes parecen originarse desde el extremo estacionario de HST-1. Previos estudios han sugerido que algunos eventos de emisión a altas energías observados en M 87 tienen a HST-1 como origen. Sin embargo, nuestras nuevas observaciones con el VLBA y JVLA de M 87 confirman que, entre 2011 y 2013, HST-1 se encuentra en un estado de baja emisión que excluiría su implicación en el flare de alta energía observado en M 87 en marzo 2012, como también puntualizamos en Hada et al. (2014). En esta Tesis hemos visto que, tanto en radio galaxias cuanto en blazars, los flares en rayos γ, muchas veces con contrapartidas a otras frecuencia, están relacionados con la orientación del jet y con la interacción entre una onda de choque que viaja a lo largo del jet y un choque estacionario (el core). Hemos observado también que estos choques de recollimacion están presentes en muchos AGN y que probablemente, como predicen las simulaciones numéricas, además del core los podemos encontrar a lo largo del jet, como hemos visto en las radio galaxias M 87 y 3C 120. REFERENCIAS: Casadio, C., Gómez, J. L., Grandi, P., Jorstad, S. G., Marscher, A. P., Lister, M. L., Kovalev, Y. Y., Savolainen, T., & Pushkarev, A. B., 2015a, ApJ, 808, 162 Casadio, C., Gómez, J. L., Jorstad, S. G., Marscher, A. P., Larionov, V. M., Smith, P. S., Gurwell, M. A., Lähteenmäki, A., Agudo, I., Molina, S. N., et al., 2015b, ApJ, 813, 51 Giroletti, M., Hada, K., Giovannini, G., Casadio, C., Beilicke, M., Cesarini, A., Cheung, C. C., Doi, A., Krawczynski, H., Kino, M., et al., 2012, A&A, 538, L10 Hada, K., Giroletti, M., Kino, M., Giovannini, G., D’Ammando, F., Cheung, C. C., Beilicke, M., Nagai, H., Doi, A., Akiyama, K., et al., 2014, ApJ, 788, 165