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Sebastian Huber, Institut for theoretical physics and astrophysics, University of Würzburg

Spectral modelling of blazars with special attention on

binary BH-systems

Contact: Sebastian Huber, Universität Würzburg, Mail: snhuber@astro.uni-wuerzburg.de

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Inhaltsverzeichnis

1. Theorie

2. Detektion (MAGIC)

3. Das SSC-Modell

4. Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Theorie

Akitve Galaxienkerne

Standardmodell aktive galaktische Nuclei (AGN)

• rotierendes supermassives schwarzes Loch (SMBH)

Masse 107 – 109 MO

Zentralobjekt jeder Galaxie

Bei AGN Akkretion auf das SMBH

• Akkretionsscheibe

• Shakura – Sunyaev – Disk

• Energetisch günstigster Zustand - Drehimpulserhaltung

• Staubtorus

• Sehr kalt

Masse 104 – 108 MO

• Jet

• Blandford-Payne-Szenario

• Blandford-Znajek-Szenario Standardmodell aktiver galaktischer Nuclei (Homepage Astronomie Universität Würzburg)

Blandford & Payne (1982)

Blandford & Znajek (1977)

Shakura & Sunyaev (1973)

Urry & Padovani (1995)

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Theorie

AGN-Klassifikation

Je nach Sicht unterschiedliche Ausprägungen der Erscheinung des AGN

BLLac-Objekte

Blazare

radiolaut

radioleise

Quasare

Seyfert-Galaxien

Seyfert 1

Seyfert 2

Radiogalaxien

LINERs

ULIRGs

AGN-Klassifikationsschema (Astrophysikalisches Lexikon Andreas Müller)

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Theorie

Blazare

elliptische Galaxien (sehr alt)

breite Emission (SED) vom Radiobereich bis in den

TeV-Bereich (Hochenergiebereich)

hohe Variabilität (relativ kompakte Emissionsregion)

Jet mit relativ geringem Winkel zur Sichtlinie des

Beobachters (kleiner 15°)

superluminal Motion der strahlungserzeugenden Schocks

(Blobs) im Jet

relativistisches Beaming

(Rotverschiebung/Blauverschiebung)

Änderung der Intensität im Bezugssystem des

Beobachters

Jet der Galaxie M87

BlazBeob FF 3

))cos(1(

1

21

1

c

v

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Inhaltsverzeichnis

1. Theorie

2. Detektion (MAGIC)

3. Das SSC-Modell

4. Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Detektion MAGIC

Das MAGIC-Teleskop

• MAGIC – Imaging Air Cerenkov Teleskop

• indirekte Methode zur Detektion von Hochenergie-Gammas durch Cerenkov-Licht, welches durch Interaktion der Gammas mit der Erdatmosphäre entsteht

• Generierung von Sekundär-Schauern (Air Shower)

Verschiedene Targets des MAGIC-Teleskops

• AGNs (Active Galactic Nuclei)

• SNRs (Supernova Remnants)

• GRBs (Gamma-Ray-Bursts)

• unaufgelöste Quellen

Justierung des MAGIC-Teleskops mittels aktiver Spiegelkontrolle (MAGIC-Homepage)

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Detektion MAGIC

Das MAGIC-Teleskop

Typisches MAGIC-Ereignis !

Einige Daten zu MAGIC:

1. Parabolischer Spiegel (234 m2) mit aktiver Spiegelkontrolle

2. 50 cm x 50 cm Aluminiumspiegel

3. Hexagonale Kamera: 576 Photomultiplier, FOV 3.8°

4. Carbon-Fiber-Rahmen – schnelle Positionierung und Ausrichtung

5. Schnelles Positionierungssystem (~20 sec um an jeden beliebigen Ort des Himmels zu pointen)

6. Optischer Daten-Transfer nach Barcelona und Würzburg

Gamma-Ereignis in der MAGIC-Kamera (Monte-Carlo-Simulation) (MAGIC-Homepage)

Simulaion eines Air Showers mittel CORSIKA

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Inhaltsverzeichnis

1. Theorie

2. Detektion (MAGIC)

3. Das SSC-Modell

4. Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

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Das SSC-Modell

Die kinetischen Gleichungen

a.) Photonengleichung

escPh

PhCPhS

Ph

t

nRncR

dt

dn

,

)()()()()(

)(

b.) Elektronengleichung

escel

elelCSel

el

t

nnHn

t

n

,

2

2 )()()()()(

)(

Aus der Strahlungstransportgleichung

Entwicklung der Elektronenzahldichte – selbstkonsistente Lösung

Synchrotron-Strahlung Synchrotron-Selbstabsorption Invers-Compton

Verlustterm

Verlustterm

Synchrotron-Strahlung Invers-Compton Synchrotron-Selbstabsorption

Numerische Lösungsverfahren

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Das SSC-Modell

Ergebnisse des SSC-Modells

SED (Spectral Energy Distribution) eines typischen High-Peak-BLLac-Objekts (Blazar-SED)

Synchrotronpeak

Invers-Compton-Peak

SED of 1ES 1959+650

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Inhaltsverzeichnis

1. Theorie

2. Detektion (MAGIC)

3. Das SSC-Modell

4. Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

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Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Blazare – AGN deren Jet einen kleinen Winkel zur Sichtachse einnimmt

Blob bewegt sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf den Beobachter zu

Relativistisches Boosting der emittierten Strahlung (SRT)

Delta-Faktor

Modulation des Flusses ,der uns von AGNs erreicht

BlazBeob FF 3

Sonderfall: Modulation durch ein binäres System schwarzer Löcher

))cos(1(

1

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SMBBH (supermassive binary black hole)

• zwei supermassive schwarze Löcher im Zentrum eines AGN – binäres System

• Rotation des leichteren BH (Masse m) um das schwerere BH (Masse M)

• Jet (Akkretion) durch das leichtere BH - Blobs auf einer helixförmigen Trajektorie

• Frequenz der Bewegung (3. Keplerisches Gesetz)

• Periode der Bewegung

23

)(

d

MmGF

Mannheim et all. (2000)

Osona (2005)

FP

2

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

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SMBBH (supermassive binary black hole)

• aus Randbedingungen an die Zentralmasse des AGN

Mannheim et all. (2002)SolMM 81096,0

SolMm 81008,0

• aus Randbedingungen an den möglichen Abstand der beiden BH

cmd 16104,2

• Bei Annahme dieser Werte erhält man eine intrinsischer Periode von 6,51 Jahren

• Um aus dieser intrinsischen Periode die beobachtete Periode zu gewinnen

Pic

vzP z

Obs ))cos(1()1(

• Periode im Bezugssystem des Beobachters von 24,23 Tage (vergleichbar mit der detektierten 23 Tage Periode von Markarian 501)

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

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Jetmodell – Helix mit konstantem Durchmesser

tv

tFR

tFR

tvtR

tv

tFR

tFR

tR

zz

)cos(

)sin(

)()()cos(

)sin(

)(

)cos(

0

)sin(

id

id

D

Obs

Obs

Obs

• Berechnun des zeitabhängigen Doppler-Faktors (t)

• Parametrisierung der Helix

• Richtung des Observers

• Berechnung des Winkels zwischen Geschwindigkeitsvektors

und Richtung des Beobachters

))(cos()()( tDtvDtv ObsObs

Helixtrajektorie mit konstantem Durchmesser

)( mM

dMR

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

• Berechnung zeitabhängiger Doppler-Faktor (t)

• Winkel zwischen Geschwindigkeitsvektor und Richtung Beobachter

)(

)cos()cos()sin(arccos)(

222

z

z

vFR

ivtFiFRt

1

i

• Winkel variiert zwischen 4,30° und 7,16°

• Berechnung des Dopplerfaktors (t)

)))(cos(1(

1)(

tt

cFtiFRiv

cRFvt

z

z

/))sin()sin()cos((1

/)(1)(

2222

c

tR )(

Plot des Winkels über die Periode der Bewegung

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Jetmodell – Helix mit konstantem Durchmesser

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Jetmodell – Helix mit konstantem Durchmesser

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

• periodische Veränderung des Flusses durch den zeitabhängigen Dopplerfaktor t)

BlazBeob FtF 3)(

Plot des Doppler-Faktors über die Periode der Bewegung

• Doppler-Faktor (t) variiert zwischen 8 und 13 (typische Werte für AGNs)

• Beaming des Flusses (periodisch)

• Einbau zeitabhängiges relativistisches Beaming in

SSC-Modell

• Abschätzung Flussänderung durch

relativistisches Beaming

)3(

1)3(

1

fF

F

Min

Max

Min

Max

• f hat ungefähr Wert 8 ( durch Messungen

bestätigt )

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Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Jetmodell – Helix mit konstantem Durchmesser

• SED eines AGN zusammen mit relativistisch gebeamten Daten

• Verschiebung der Position des IC-Peaks

(und des Synchrotron-Peaks)

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

tv

tFtR

tFtR

tR

z

)cos()(

)sin()(

)(

Relativistisches Beaming – Binary-Black-Hole-Systems

Jetmodell – Helix mit variablem Durchmesser

• Vorgehen analog zur Helix mit konstantem

Öffnungswinkel

• Parametrisierung der Helix

zv

tFFtRtFtR

tFFtRtFtR

tvtR )sin()()cos()(

)cos()()sin()(

)()(

))()((

)cos()cos()sin()()sin()sin()(arccos)(

2222 tRvFtR

ivtFiFtRtFitRt

z

z

• Winkel zwischen Geschwindigkeitsvektor und Richtung Beobachter

Helixtrajektorie mit veränderlichem Durchmesser • Berechnung des Dopplerfaktors (t)

ctFitRtFitRFiv

ctRtRFvt

z

z

/))sin()sin()()cos()sin()()cos((1

/))()((1)(

22222

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Zusammenfassung und Ausblick

• Gewinnung der spektralen Daten (Fluss) – z.B. MAGIC

• Bestimmung der für die Simulation notwendigen Eingabeparameter

• Fit der SED (spektrale Energieverteilung) des AGNs mittels SSC

• Interpretation der Physik, die den AGN beschreibt

• Variabilitäten (binäre schwarze Löcher , zeitabh. Quellfunktion)

• Flares

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-Systems

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Ende

Vielen Dank !!!

Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems

Literatur

[1] R.D. Blandford & R.L. Znajek – Elektromagnetic extraction of energy from Kerr black holes (1976)[2] R.D. Blendford & D.G. Payne– Hydromagnetic flows from accretion discs and the production of radio jets (1981)[3] S. Osone – Study of 23 day periodicity of blazar Mkn 501 in 1997 (2005)[4] P.S. Coppi & R.D: Blandford – Reaction rates and energy distributions for elementary processes in relativistic pair plasma (1990)[5] G. Ghisellini et. al. – The synchrotron boiler (1988)[6] V.L. Ginzburg & S.I. Syrovatskii – Cosmic Magnetobremstrahlung (1937)[7] M. Punch et. al. – Detection of TeV photons from the active galaxy Markarian 421 (1992)[8] G .B. Rybicki & A.P. Lightman – Radiative processes in astrophysics(1887)[9] R. Schlickeiser – Cosmic ray astrophysics (2002)[10] M.S. Longair – High enery astrophysics (1981)[11] K. Mannheim – Der proton blazar (1993) [12] J. Kataoka et al. – Variability pattern and the spectral energy of the BL Lacertae object PKS 2155-305 (2000)[13] F.Tavechio et. al. – Constraints on the physical parameters of TeV blazars (1998)[14] A. Müller – Lexikon der Astrophysik