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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: [email protected]
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)
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
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
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)
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
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
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
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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 )
Spectral modelling of blazars with special attention on binary BH-systems
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