An investigation of variability and its associated synchrotron emission in relativistic AGN jets using numerical hydrodynamic simulations
Loading...
Date
2017-03
Authors
Van der Westhuizen, Izak Petrus
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Active regions at the centres of certain galaxies known as Active Galactic Nuclei (AGN) are
some of the most energetic and violent sources of emission in the universe. Certain types of
AGN can produce jet-like emission structures that extend hundreds of kiloparsec in length.
The jet-like sources show intricate time dependent structure and are believed to consist
of collimated
flows of relativistic plasma. Many studies have focused on investigating the
structure and emission of these sources. The evolution time scale of the jets are much longer
than their recorded history which makes observational studies of their evolution challenging
and, due to the relativistic nature of these jets, they have not been accurately reproduced
in laboratory experiments. Instead many studies have employed
fluid dynamic numerical
simulations of these sources to study their properties. To accurately compare a
fluid dynamic
simulation to that of observational data the emission emitted by such an environment must
be modelled. In this study a
fluid dynamic simulations of a relativistic jet is constructed
and a synchrotron emission model is applied to the simulations to reproduce intensity maps
at radio frequencies which is comparable to observational data of AGN jet sources. The
numerical
fluid dynamic simulation was created and evolved using the PLUTO software and
consisted of a three dimensional environment containing ambient medium, into which a jet
is injected through a nozzle on the lower z boundary. The injected material consisted of a
less dense medium with a super-sonic bulk motion of Lorentz factor T = 10. The simulation
reproduced a jet structure containing a relativistic beam of material propagating through
the ambient medium. The beam of material was surrounded by a turbulent cocoon region
with asymmetric structure. The entire structure was encased in a bow shock. Intensity maps
of the three dimensional
fluid simulation were created by applying a post-processing code to
the simulation data. The emission model estimated the synchrotron emission by assuming
that the entire population of electrons in the jet had a power-law energy distribution. The
intensity maps were able to reproduce emission structures that resemble those of FR II
type radio galaxies with a dominant cocoon region containing time dependent hot spots and
laments. To investigate the effects of Doppler boosting, intensity maps were calculated
at different polar angles and the results were consistent with the current unified model of
AGN and showed a significant increase in the intensity of the relativistic beam at small polar
angels. The intensity maps were able to reproduce time dependent emission structures due to
fluid dynamic instabilities that formed during the simulation. The time dependent structure
led to the production of variability with an amplitude of ≈ 10% in the total intensity. It
was therefore shown that some variability observed within these sources occurs due to
fluid
dynamic instabilities rather than a change in the injection parameters. However, large
flares
which have been observed from these sources require additional perturbations in the
flow.
This study serves as a good basis for future in depth investigation of AGN emission.
Afrikaans: Die aktiewe gedeeltes in die middel van sommige sterrestelsels wat bekend staan as Aktiewe Galaktiese Kerne (AGK) is van die mees geweldadigste en energieke stralingsbronne in die heelal. Sekere AGK tipes produseer spuitstraal-agtige strukture wat oor honderde kiloparseks kan uitstrek. Die spuitstraalbronne toon ingewikkelde tyd afhanklike strukture en daar word vermoed dat hierdie bronne uit gekollimeerde vloeie van relativistiese plasma bestaan. Baie studies het al die struktuur en straling van hierdie bronne bestudeer om hulle aard beter te verstaan. Die leeftyd van hierdie spuitstrale strek egter oor 'n baie langer tydperk as hulle opgetekende geskiedenis wat waarnemingstudies van die evolusie van die bronne uitdagend maak en, vanwe e hulle relativisties natuur, kon hulle tot dus ver nie gereproduseer word in laboratorium eksperimente nie. As gevolg hiervan het baie studies van die bronne na u eddinamiese rekenaar simulasies gedraai om hulle eienskappe beter te bestudeer. Om die simulasies op 'n akurate wyse met waarnemings te kan vergelyk moet die straling wat hierdie omgewings produseer gemoduleer word. In hierdie studie word daar 'n u eddinamiese simulasie van 'n relativistiese spuitstraal geskep en 'n stralings model word daarop toegepas om intensiteitskaarte wat vergelyk kan word met waargenome data in radio gol engtes te produseer. Die u eddinamiese simulasie het bestaan uit 'n drie dimensionele ruimte wat 'n agtergrond medium in rus bevat het. 'n Relativistiese spuitstraal medium was in die ruimte ingespuit deur 'n spuitstuk op die onderste z-grens. Die simulasie was geskep en ontwikkel met tyd deur gebruik te maak van die PLUTO rekenaar sagteware. Die ingespuitde materiaal het bestaan uit 'n supersoniese medium wat minder dig as die agtergrond medium was met 'n Lorentz faktor van T = 10. Die simulasie het 'n spuitstraal geproduseer met 'n relativistiese gekolimeerde straal wat omring was deur 'n asemetriese, turbulente koekon. 'n Boogskok het gevorm om die hele struktuur en het die spuitstraal van die agtergrond medium geskei. Die intensiteitskaarte was uitgewerk deur 'n na-proseseerings program op die simulasie data toe te pas. Die stralings model in na-proseseerings program het 'n beraming van die sinchrotronstraling uitgewerk onder die aname dat die populasie van elektrone in die spuitstaal 'n magswet verspreiding van energie besit. Die intensiteitskaarte wat uitgewerk was het sootgelyke struktuur getoon aan FR II tipe radio sterrestelsels met 'n dominate koekon wat tydsafhanklike variasies bevat het. Om die e ek van relativistiese groepssnelheid op die gemeete straaling te bestudeer was intensiteitskaarte teen verskillende poolhoeke bepaal. Die resultate
Afrikaans: Die aktiewe gedeeltes in die middel van sommige sterrestelsels wat bekend staan as Aktiewe Galaktiese Kerne (AGK) is van die mees geweldadigste en energieke stralingsbronne in die heelal. Sekere AGK tipes produseer spuitstraal-agtige strukture wat oor honderde kiloparseks kan uitstrek. Die spuitstraalbronne toon ingewikkelde tyd afhanklike strukture en daar word vermoed dat hierdie bronne uit gekollimeerde vloeie van relativistiese plasma bestaan. Baie studies het al die struktuur en straling van hierdie bronne bestudeer om hulle aard beter te verstaan. Die leeftyd van hierdie spuitstrale strek egter oor 'n baie langer tydperk as hulle opgetekende geskiedenis wat waarnemingstudies van die evolusie van die bronne uitdagend maak en, vanwe e hulle relativisties natuur, kon hulle tot dus ver nie gereproduseer word in laboratorium eksperimente nie. As gevolg hiervan het baie studies van die bronne na u eddinamiese rekenaar simulasies gedraai om hulle eienskappe beter te bestudeer. Om die simulasies op 'n akurate wyse met waarnemings te kan vergelyk moet die straling wat hierdie omgewings produseer gemoduleer word. In hierdie studie word daar 'n u eddinamiese simulasie van 'n relativistiese spuitstraal geskep en 'n stralings model word daarop toegepas om intensiteitskaarte wat vergelyk kan word met waargenome data in radio gol engtes te produseer. Die u eddinamiese simulasie het bestaan uit 'n drie dimensionele ruimte wat 'n agtergrond medium in rus bevat het. 'n Relativistiese spuitstraal medium was in die ruimte ingespuit deur 'n spuitstuk op die onderste z-grens. Die simulasie was geskep en ontwikkel met tyd deur gebruik te maak van die PLUTO rekenaar sagteware. Die ingespuitde materiaal het bestaan uit 'n supersoniese medium wat minder dig as die agtergrond medium was met 'n Lorentz faktor van T = 10. Die simulasie het 'n spuitstraal geproduseer met 'n relativistiese gekolimeerde straal wat omring was deur 'n asemetriese, turbulente koekon. 'n Boogskok het gevorm om die hele struktuur en het die spuitstraal van die agtergrond medium geskei. Die intensiteitskaarte was uitgewerk deur 'n na-proseseerings program op die simulasie data toe te pas. Die stralings model in na-proseseerings program het 'n beraming van die sinchrotronstraling uitgewerk onder die aname dat die populasie van elektrone in die spuitstaal 'n magswet verspreiding van energie besit. Die intensiteitskaarte wat uitgewerk was het sootgelyke struktuur getoon aan FR II tipe radio sterrestelsels met 'n dominate koekon wat tydsafhanklike variasies bevat het. Om die e ek van relativistiese groepssnelheid op die gemeete straaling te bestudeer was intensiteitskaarte teen verskillende poolhoeke bepaal. Die resultate
Description
Keywords
Active galactic nuclei, Relativistic hydrodynamics, Synchrotron emission, PLUTO, Numerical simulation, Radio jets, Dissertation (M.Sc. (Physics))--University of the Free State, 2017