Long-wavelength radio observations of blazars with the Low-Frequency Array (LOFAR)

• Main Author: Trüstedt, Jonas Elias
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2016
• Subjects: Blazar; Radioastronomie; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/14440; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144406; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144406; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/14440/Truestedt_Jonas_LOFAR.pdf

Aktive Galaxienkerne (AGN) gehören zu den hellsten Objekten in unserem Universum. Diese Galaxien werden als aktiv bezeichnet, da ihre Zentralregion heller ist als alle Sterne in einer Galaxie zusammen beitragen könnten. Das Zentrum besteht aus einem supermassiven schwarzen Loch, das von einer Akkretionsscheibe und weiter außerhalb von einem Torus aus Staub umgeben ist. Diese AGN können über das ganze elektromagnetische Spektrum verteilt gefunden werden, von Radiowellen über Wellenlängen im optischen und Röntgenbereich bis hin zur $\gamma$-Strahlung. Allerdings sind nicht alle Objekte bei jeder Wellenlänge detektierbar. In dieser Arbeit werden überwiegend Blazare bei niedrigen Radiofrequenzen untersucht. Blazare gehören zu den radio-lauten AGN, welche üblicherweise stark kollimierte Jets senkrecht zur Akkretionsscheibe aussenden. Bei Blazaren sind diese Jets in die Richtung des Beobachters gerichtet und ihre Emissionen sind stark variabel. \\ AGN werden anhand ihres Erscheinungsbildes verschiedenen Untergruppen zugeordnet. Diese Untergruppen werden in einem vereinheitlichen AGN Modell zusammengeführt, welches besagt, dass diese Objekte sich nur in ihrer Luminosität und ihrem Winkel zur Sichtlinie unterscheiden. Blazare sind diejenigen Objekte, deren Jets in unsere Sichtrichtung zeigen, während die Objekte deren Jets eher senkrecht zur Sichtlinie orientiert sind als Radiogalaxien bezeichnet werden. Daraus folgt, dass Blazare die Gegenstücke zu Radiogalaxien mit einem anderen Winkel zur Sichtlinie sind. Diese Beziehung soll unter anderem in dieser Arbeit untersucht werden. \\ Nach ihrer Entdeckung in den 1940er Jahren wurden die aktiven Galaxien bei allen zugänglichen Wellenlängen untersucht. Durch die Entwicklung von Interferometern aus Radioteleskopen, welche eine erhöhte Auflösung bieten, konnten die Beobachtungen stark verbessert werden. In den letzten 20 Jahren wurden viele AGN regelmäßig beobachtet. Dies erfolgte unter anderem durch Programme wie dem MOJAVE Programm, welches 274 AGNs regelmäßig mithilfe der Technik der ``Very Long Baseline Interferometry" (VLBI) beobachtet. Durch diese Beobachtungen konnten Informationen zur Struktur und Entwicklung der AGN und Jets gesammelt werden. Allerdings sind die Prozesse zur Bildung von Jets und deren Kollimation noch nicht vollständig bekannt. Durch relativistische Effekte ist es schwierig die eigentlichen Größen der Jets anstelle der scheinbaren zu messen. Um die intrinsische Energie von Jets zu messen, sollen die ausgedehnten Emissionsregionen untersucht werden, in denen die Jets enden und mit dem Intergalaktischen Medium interagieren. Beobachtungen bei niedrigen Radiofrequenzen sind empfindlicher um solche ausgedehnte, diffuse Emissionsregionen zu detektieren. \\ Seit Dezember 2012 ist ein neues Radioteleskop für niedrige Frequenzen in Betrieb, dessen Stationen aus Dipolantennen besteht. Die meisten dieser Stationen sind in den Niederlanden verteilt (38 Stationen) und werden durch 12 internationale Stationen in Deutschland, Frankreich, Schweden, Polen und England ergänzt. Dieses Instrument trägt den Namen ``Low Frequency Array'' (LOFAR). LOFAR bietet die Möglichkeit bei Frequenzen von 30--250 MHz bei einer höheren Auflösung als bisherige Radioteleskope zu beobachten (Winkelauflösungen unter 1 arcsec für das gesamte Netzwerk aus Teleskopen). \\ Diese Arbeit behandelt die Ergebnisse von Blazaruntersuchungen mithilfe von LOFAR-Beobachtungen. Dafür wurden AGNs aus dem MOJAVE Programm verwendet um von den bisherigen Multiwellenlängen-Beobachtungen und Untersuchungen der Kinematik zu profitieren. Das ``Multifrequency Snapshot Sky Survey'' (MSSS) Projekt hat den gesamten Nordhimmel mit kurzen Beobachtungen abgerastert. Aus dem daraus resultierenden vorläufigen Katalog wurden die Flussdichten und Spektralindizes für MOJAVE-Blazare untersucht. In den kurzen Beobachtungen von MSSS sind nur die Stationen in den Niederlanden verwendet worden, wodurch Auflösung und Sensitivität begrenzt sind. Für die Erstellung des vorläufigen Kataloges wurde die Auflösung auf $\sim$120 arcsec beschränkt. Ein weiterer Vorteil der MOJAVE Objekte ist die regelmäßige Beobachtung der AGN mit dem ``Owens Vally Radio Observatory'' zur Erstellung von Lichtkurven bei 15 GHz. Dadurch ist es möglich nahezu zeitgleiche Flussdichtemessungen bei 15 GHz zu den entsprechenden MSSS-Beobachtungen zu bekommen. Da diese Beobachtungen zu ähnlichen Zeitpunkten durchgeführt wurden sind diese Flussdichten weniger von der Variabilität der Blazare beeinflusst. Die Spektralindizes berechnet aus den Flussdichten von MSSS und OVRO können verwendet werden um den Anteil an ausgedehnter Emission der AGNs abzuschätzen. \\ Im Vergleich der Flussdichten aus dem MSSS Katalog mit den Beobachtungen von OVRO fällt auf, dass die Flussdichten bei niedrigen Frequenzen tendenziell höher sind, was durch den höheren Anteil an ausgedehnter Struktur zu erwarten ist. Die Spektralindexverteilung zwischen MSSS und OVRO zeigt ihren höchsten Wert bei $\sim-0.2$. In der Verteilung existieren Objekte mit steilerem Spektralindex durch den höheren Anteil von ausgedehnter Emission in der Gesamtflussdichte, doch über die Hälfte der untersuchten Objekte besitzt flache Spektralindizes. Die flachen Spektralindizes bedeuten, dass die Emissionen dieser Objekte größtenteils von relativistischen Effekten beeinflusst sind, die schon aus Beobachtungen bei GHz-Frequenzen bekannt sind. \\ Durch neue Auswertung der MSSS Beobachtungsdaten konnten Bilder bei einer verbesserten Auflösung von $\sim$20--30 arcsec erstellt werden, wodurch bei einigen Blazaren ausgedehnte Struktur detektiert werden konnte. Diese höher aufgelösten Bilder sind allerdings nicht komplett kalibriert und können somit nur für strukturelle Informationen verwendet werden. Die Überarbeitung der Beobachtungsdaten konnte für 93 Objekte für ein Frequenzband durchgeführt werden. Für 45 der 93 Objekte konnten sogar alle vorhandenen Frequenzbänder überarbeitet werden und dadurch gemittelte Bilder erstellt werden. Diese Bilder werden in dieser Arbeit vorgestellt. Die resultierenden Bilder mit verbesserter Auflösung wurden verwendet um Objekte auszuwählen, die mit allen LOFAR-Stationen beobachtet und auf ausgedehnte Struktur untersucht werden können. \\ Im zweiten Teil der Arbeit werden die Ergebnisse von internationalen LOFAR Beobachtungen von vier Blazaren präsentiert. Da sich die Auswertung und Kalibration von internationalen LOFAR Beobachtungen noch in der Entwicklung befindet, wurde ein Schwerpunkt auf die Kalibration und deren Beschreibung gelegt. Die Kalibration kann zwar noch verbessert werden, aber die Bilder aus der angewandten Kalibration erreichen eine Auflösung von unter 1 arcsec. Die Struktur der untersuchten vier Blazare entspricht den Erwartungen für Radiogalaxien unter einem anderen Sichtwinkel. Durch die gemessenen Flussdichten der ausgedehnten Struktur aus den Helligkeitsverteilungen konnte die Luminosität der ausgedehnten Emissionen berechnet werden. Im Vergleich mit den Luminositäten, die von Radiogalaxien bekannt sind, entsprechen auch diese Werte den Erwartungen des vereinheitlichten AGN Modells. \\ Durch die in dieser Arbeit vorgestellte Kalibration können noch mehr Blazare mit LOFAR inklusive den internationalen Stationen beobachtet werden und somit Bilder der Struktur bei ähnlicher Auflösung erstellt werden. Durch eine erhöhte Anzahl von untersuchten Blazaren könnten anschließend auch statistisch signifikante Ergebnisse erzielt werden.\\ === Active galactic nuclei (AGNs) are among the brightest sources in our universe. These galaxies are considered active because their central region is brighter than the luminosities of all stars in a galxies can provide. In their center is a supermassive black hole (SMBH) surrounded by an accretion disk and further out a dusty torus. AGN can be found with emission over the whole electromagnetic spectrum, starting at radio frequencies over optical and X-ray emission up to the $\gamma$-rays. Not all of these sources are detected in each frequency regime. In this work mainly blazars are examined at low radio frequencies. Blazars are a subclass of radio-loud AGN. These radio-loud sources usually exhibit highly collimated jets perpendicular to the accretion disk. For blazars these jets are pointed in the direction of the observer and their emission is highly variable. \\ AGN are classified in different subclasses based on their morphology. These different subclasses are combined in the AGN unification model, which explains the different morphologies by having sources only varying in their luminosities and their angle to the line of sight to the observer. Blazars are these targets, where the jet is pointing towards the observer, while the AGN observed edge on are called radio galaxies. This means that blazars should be the counterparts to radio galaxies seen from a different angle. Testing this is one of the goals in this work. \\ After the discovery of AGN in the 1940s these objects have been studied at all wavelengths. With the development of interferometry with radio telescopes the angular resolution for radio observations could be improved. In the last 20 years many AGN are regularly monitored. One of these monitoring programs is the MOJAVE program, monitoring 274 AGNs with using the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) technique. The monitoring provides information on the evolution and structure of AGN and their jets. However, the mechanisms of the jet formation and their collimation are not fully understood. Due to relativistic effects it is difficult to obtain intrinsic instead of apparent parameters of these jets. One approach to get closer to the intrinsic jet power is by observing the regions, in which the jets end and interact with the intergalactic medium. Observations at lower radio frequencies are more sensitive for extended diffuse emission. \\ Since December 2012 a new radio telescope for low frequencies is observing. It is a telescope with stations consisting of dipole antennas. The major part of the array located in the Netherlands (38 stations) with 12 additional international stations in Germany, France, Sweden, Poland and the United Kingdom. This instrument is called the Low Frequency Array (LOFAR). LOFAR offers the possibility to observe at frequencies between 30--250 MHz in combination with angular resolution (below 1 arcsec for the full array), which was not available with previous telescopes. \\ In this work results of blazar studies with LOFAR observations are presented. To take advantage of a large database with multi-wavelength observations and kinematic studies the MOJAVE 1.5 Jy flux limited sample was chosen. Based on the preliminary results of the LOFAR Multifrequency Snapshot Sky Survey (MSSS) the flux densities and spectral indices of blazars of the MOJAVE sample are examined. 125 counterparts of MOJAVE blazars were found in the MSSS catalog. Since the MSSS observations only contain the stations in the Netherlands and observes in snapshots, the angular resolution and the sensitivity is limited. The first MSSS catalog was produced with an angular resolution of $\sim$120 arcsec and a sensitivity of $\sim$50--100 mJy. Another advantage of the MOJAVE sample is the monitoring of these sources with the Owens Valley Radio Observatory (OVRO) at 15 GHz to produce radio lightcurves. With these observations it is possible to get quasi-simultaneous flux densities at 15 GHz for the corresponding MSSS observations. By having quasi-simultaneous observations the variability of the blazars affects the flux densities less than with the use of archival data. The spectral indices obtained by the combination of MSSS and OVRO flux densities can be used to estimate the contribution of the diffuse extended emission for these AGNs. \\ Comparing the MSSS catalog with the OVRO data points, the flux densities have a tendency to be higher at low frequencies. This is expected due to the higher contribution of extended emission. The broadband spectral index distribution shows a peak at $\sim-0.2$. While some sources seem to have steeper spectral indices meaning that extended emission contributes a large fraction of the total flux density, more than the half of the sample shows flat spectral indices. The flat spectral indices show that the total flux densities of these sources are dominated by their relativistic beamed emission regions, which is the same for the observations at GHz frequencies. \\ To obtain more detailed images of these sources the MSSS measurement sets including sources of the sample were reprocessed to improve the angular resolution to $\sim$30 arcsec. The higher angular resolution reveals extended diffuse emission of several blazars. Since the reimaging results were not fully calibrated only the morphology at this resolution could be examined. However, with the short snapshot observations the images obtained with this strategy are affected from artifacts. The reimaging could be successfully performed for 93 sources in one frequency band. For 45 of these sources all availabe frequency bands could be reprocessed and used to created averaged images. These images are presented in this work. As a results of the reimaging process a pilot sample was defined to observe targets with diffuse extended emission using the whole LOFAR array including the international stations. \\ The second part of this work presents the results of a pilot sample consisting of four blazars observed with the LOFAR international array. Since the calibration of this kind of LOFAR observation is still in development, the main focus was the description of the used calibration strategy. The calibration strategies still has some limitation but resulted in images with angular resolutions of less than 1 arcsec. The morphology of all four blazars show features confirming the expectations of their counterpart radio galaxies. With the flux densities of the extended emission found in these brightness distributions the extended radio luminosities are calculated. Comparing these to the radio galaxy classifications also confirm the expectations from the unification model. \\ By extending the sample of observed blazars with LOFAR international in future the calibration strategy can be used to create similar high resolution images. A larger sample can be used to test the unification model with statistical significant results. \\