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  • Dissertation

    submitted to the

    Combined Faculties of the Natural Sciences and Mathematics

    of the Ruperto-Carola-University of Heidelberg. Germany

    for the degree of

    Doctor of Natural Sciences

    Put forward by

    Eva Lefa

    born in Athens, Greece

    Oral examination: 21th November 2012

  • Non-thermal Radiation

    processes in relativistic

    outflows from AGN

    Referees: Prof. Dr. Felix A. Aharonian

    Prof. Dr. Werner Hofmann

  • Abstract

    Non-thermal, leptonic radiation processes have been extensively studied for the in-terpretation of the observed radiation from jets of Active Galactic Nuclei (AGN).This work addresses the synchrotron and Inverse Compton scattering (ICS) mecha-nisms, and investigates the potential of a self-consistent, time-dependent approachto currently unsolved problems. Furthermore, it examines how deviations from stan-dard, one-zone models can modify the radiated spectrum. A detailed analysis of theshape of the ICS spectrum is also performed.In the rst part a possible interpretation of the hard -ray blazar spectra in theframework of leptonic models is investigated. It is demonstrated that hard -rayspectra can be generated and maintained in the presence of energy losses, under thebasic assumption of a narrow electron energy distribution (EED). Broader spectracan also be modeled if multiple zones contribute to the emission. In such a scheme,hard aring events, like the one in Mkn 501 in 2009, can be successfully interpretedwithin a "leading blob" scenario, when one or few zones of emission become domi-nant.In the second part the shape of the Compton spectrum close to the maximum cut-o is investigated. Analytical approximations for the spectral shape in the cutoregion are derived for various soft photon elds, providing a direct link between theparent EED and the upscattered spectrum. Additionally, a generalization of thebeaming pattern for various processes is derived, which accounts for non-stationary,anisotropic and non-homogeneous EEDs. It is shown that anisotropic EEDs maylead to radiated spectra substantially dierent from the isotropic case. Finally, aself-consistent, non-homogeneous model describing the synchrotron emission fromstratied jets is developed. It is found that transverse jet stratication leads tocharacteristic features in the emitted spectrum dierent to expectations in homoge-neous models.

  • Zusammenfassung

    Bezglich der Herkunft der beobachteten Strahlung von Jets in Aktiven Galaktis-chen Kernen (AGN) wurden nicht-thermische, leptonische Strahlungsprozesse in-tensiv untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird die Strahlungserzeugung durchSynchrotron-Emission und inverse Compton-Streuung (ICS) diskutiert und das Po-tential eines selbstkonsistenten, zeitabhngigen Models zur Erklrung aktuell nochungelster Probleme analysiert. Des Weiteren werden die Auswirkungen von Abwe-ichungen von Standardmodellen auf das emittierte Spektrum untersucht. Die Formder ICS-Spektren wird im Detail diskutiert.Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine mgliche Erklrung der harten Gammastrahlen-Spektren von Blasaren im Rahmen eines leptonischen Models untersucht. Dabeiwird gezeigt, dass sich harte Gammastrahlenspektren bei Annahme einer schmalenElektronen-Energieverteilung (EED) auch angesichts von Energieverlusten erzeugenund erhalten lassen. Breitere Emissionsspektren knnen durch berlagerung vonBeitrgen verschiedener Zonen generiert werden. In diesem Zusammenhang knnenharte Emissionsereignisse, wie z.B. das in 2009 fr Mkn 501 beobachtete, durch ein"leading-blob" Szenario, bei dem eine oder mehrere Zonen dominieren, erfolgreicherklrt werden.Im zweiten Teil wird das Compton-Spektrum nahe der maximalen Energie der EEDuntersucht. Die in dieser Arbeit hergeleiteten, analytischen Nherungen fr die Formdes Compton-Spektrums erlauben eine direkte Verbindung des gestreuten Emission-sspektrums mit der erzeugenden EED fr verschiedene (soft photon) Felder. Auer-dem wird eine Verallgemeinerung des relativistischen "beaming patterns" fr denFall nicht-stationrer, anisotroper und inhomogener EEDs hergeleitet. AnisotropeEEDs knnen dabei zu Spektren fhren, die sich erheblich vom isotropen Fall unter-scheiden. Zuletzt wird, motiviert durch neuere Simulations- und Beobachtungsergeb-nisse, ein selbstkonsistentes (Synchrotron) Emissionsmodel entwickelt, bei dem derzugrundeliegende Jet eine transversale Abhngigkeit (parallele Scherstrmung) auf-weist. Dabei zeigt sich, dass eine transversale Abhngigkeit zu charakteristischenEigenschaften des emittierten Spektrums fhrt, die sich signikant von den Er-wartungen homogener Modelle unterscheiden und damit Einblick in die Jetstrukturgeben.

  • Contents

    1 Introduction 1

    1.1 Basic properties and the physics of AGN . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.1.1 The general picture of AGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.1.2 Unication schemes and classication of AGN . . . . . . . . . 4

    1.1.3 Blazars: properties and observed spectrum . . . . . . . . . . . 5

    1.2 Radiation processes in leptonic models . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.2.1 Synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    1.2.2 Inverse Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    1.3 A self-consistent approach: kinetic equation of electrons . . . . . . . . 12

    1.4 Interaction with the EBL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    1.5 Aim of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2 Formation of hard VHE -ray Blazar spectra 21

    2.1 The puzzle of hard -ray Blazar spectra . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    2.2 Suggested solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    2.3 Stationary SSC with an energetic electron distribution . . . . . . . . 25

    2.3.1 Power-law electron distribution with high value of low-energy

    cuto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    2.3.2 Relativistic Maxwellian electron distribution . . . . . . . . . . 28

    2.4 Time dependent case - expansion of the source . . . . . . . . . . . . . 32

    2.5 The external Compton scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    2.6 Summary and application to 1ES 0229+200 . . . . . . . . . . . . . . 38

    3 "Leading blob" model in a stochastic acceleration scenario 43

    3.1 The 2009 hard are of Mkn 501 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    3.2 A multi-zone scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.3 The origin of hard -ray spectrum ares . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.4 The case of the Quasar 3C279 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    i

  • 3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    4 On the spectral shape of radiation due to Inverse Compton Scat-

    tering close to the maximum cut-o 57

    4.1 On ICS and the importance of the maximum cuto . . . . . . . . . . 57

    4.2 Compton spectrum for monochromatic photons . . . . . . . . . . . . 59

    4.2.1 Thomson Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

    4.2.2 Klein-Nishina Regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    4.3 Compton spectrum for a broad photon distribution . . . . . . . . . . 65

    4.3.1 Planckian photon eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    4.3.2 Synchrotron photon eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    4.3.3 Synchrotron spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    4.3.4 SSC spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    4.4 Cooled electron distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    4.5 Comparison of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    4.6 The cuto energy of the Compton spectrum . . . . . . . . . . . . . . 76

    4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    5 On radiation boosting due to relativistic motion

    and eects of anisotropy 79

    5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5.2 Photon transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    5.3 Non-isotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    6 Leptonic radiation from stratied jets 89

    6.1 Evidence for non-homogeneous outows . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    6.2 Relativistic jet with stratication at the transverse direction . . . . . 92

    6.3 Properties of the layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    6.3.1 Electron distribution integrated over the longitudinal direction 97

    6.3.2 Intrinsic synchrotron emission from each layer . . . . . . . . . 99

    6.4 Parametrization of the physical parameters . . . . . . . . . . . . . . . 101

    6.5 Total observed synchrotron spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

    6.5.1 Total, volume integrated, electron distribution . . . . . . . . . 104

    6.6 Eects of the maximum energy of the injected electron distribution . 111

    6.7 Summary and future work on stratied outows . . . . . . . . . . . . 112

    7 Conclusions 115

    ii

  • Chapter 1

    Introduction

    1.1 Basic properties and the physics of AGN

    Relativistic jets are common in astrophysical environment. Active Galactic Nu-clei (AGN), Gamma Ray Bursts (GRBs) and microquasars have been proven toexhibit highly collimated outows in which particles are accelerated to relativisticenergies and radiate. Among these sources, AGN are of particular interest. Theyprovide an excellent environment for investigating several aspects of modern as-trophysi