Jets, acrecimiento y campos magnéticos en el entorno de agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias

Abstract

Blazars, a type of active galactic nuclei (AGNs), are among the most energetic objects in the universe. They are generally accepted to consist of a super massive black hole (SMBH) at the center of a galaxy that is surrounded by an accretion disk and usually a dusty torus, with symmetrical jets of matter emanating from the vicinity of the black hole and the accretion disk. Particles in the jet are accelerated and collimated to speeds close to the speed of light. These relativistic jets many times extend far beyond the size of their host galaxy, and can have dramatic effects in their life and evolution. Moreover, emission from blazars typically outshines the emission of their host galaxy. The exact mechanisms of this emission are not well understood, and questions remain about the processes of acceleration and collimation of particles in the jet as well as about the particle composition of the jet and the location and cause of the observed variability and γ-ray emission. While the first, low energy bump of blazar spectral energy distributions (SEDs) is widely accepted to be explained by synchrotron radiation, the origin and exact nature of the second, high energy bump is still uncertain. In leptonic scenarios, this bump is accepted to be the result of inverse Compton scattering off relativistic electrons, but there is no agreement on the origin of the scattered photon field. Two mean competing scenarios are proposed: photons originating in the same region, in which case the process is termed synchrotron self- Compton (SSC), or photons (mostly of thermal origin) external to the emitting region itself (external Compton, EC), with distinction made according to the possible origin of these photons (the cosmic microwave background, the accretion disk, etc). In this thesis we introduce the blazar phenomenon and present some of the work of research that has been conducted to answer these questions. In Chapter 1 we succinctly outline the observational history of blazars and introduce some of the fundamental physics and concepts behind them. Chapter 2 introduces the observational techniques that are required for the multi-wavelength study of these objects, and gives an account of the significant observational effort that has been performed; among others: photo-polarimetric mm-wavelength observations at the IRAM 30m telescope within the POLAMI program, observations and data reduction of optical photo-polarimetric data at the Sierra Nevada and Calar Alto observatories, and on-site data-taking and analysis of very-high energy γ-ray observations with the MAGIC and LST-1 telescopes at the Roque de los Muchachos Observatory, in La Palma. Chapters 3, 4 and 5 present novel research conducted in the framework of this thesis, and correspond to three articles accepted in high-impact peer-reviewed journals. Chapters 3 and 4 are detailed multi-wavelength studies of the blazar source AO 0235+164, a source that displays particularly interesting characteristics such as repeating flaring activity, strongly correlated multi-wavelength emission, unusual behavior in the X-ray spectrum, and variations in the angle of propagation of identified features in high-resolution VLBI images, among others. Multiple approaches are attempted to tackle the problem of explaining the behavior of this source, such as cross-correlation analysis, geometric and kinematic analysis of VLBI features, multi-epoch modeling of the spectral energy distribution, and other analyses, in a compatible and sensible way. Chapter 5 presents IOP4, a pipeline developed as part of this thesis to address the challenges of optical photo-polarimetric monitoring programs of these sources, which are an essential tool for any comprehensive study of blazars. The paper describes the basic design and implementation of the pipeline, as well as some of its novel features. Finally, we summarize the work done and highlight our conclusions in Chapter 6.

Los blázares, un subtipo entre los núcleos activos de galaxias (AGNs), se encuentran entre los objetos más energéticos del universo. Se acepta generalmente que consisten en un agujero negro supermasivo (SMBH) en el centro de una galaxia rodeado por un disco de acrecimiento y, usualmente, un toro de polvo, con chorros simétricos de materia que emanan de las proximidades del agujero negro y el disco de acrecimiento. Las partículas en el chorro son aceleradas y colimadas a velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros relativistas muchas veces se extienden mucho más allá del tamaño de su galaxia anfitriona y pueden tener efectos dramáticos en su vida y evolución. Además, la emisión de los blázares típicamente supera a la emisión de su galaxia anfitriona. Los mecanismos exactos de esta emisión no se comprenden bien, y quedan preguntas sobre los procesos de aceleración y colimación de partículas en el chorro, así como sobre la composición de partículas del chorro y la ubicación y causa de la variabilidad observada y la emisión de rayos γ. Mientras que se acepta ampliamente que el primer pico de baja energía de las distribuciones espectrales de energía (SEDs) de los blázares se debe a radiación sincrotrón, el origen y la naturaleza exacta del segundo pico de alta energía es aún incierto. En los escenarios leptónicos, se acepta que este pico es el resultado de una dispersión Compton inversa por electrones relativistas, pero no hay acuerdo sobre el origen del campo de fotones dispersados. Se proponen dos escenarios principales competidores: fotones que se originan en la misma región, en cuyo caso el proceso se denomina sincrotrón auto- Compton (SSC), o fotones (mayormente de origen térmico) externos a la propia región emisora (Compton externo), con distinción según el posible origen de estos fotones (el fondo cósmico de microondas, el disco de acrecimiento, etc). En esta tesis introducimos el fenómeno de los blázares y presentamos algunos de los trabajos de investigación que se han realizado para responder a estas preguntas. En el Capítulo 1 revisamos sucintamente la historia observacional de los blázares e introducimos algunos de los conceptos y física fundamental tras ellos. El Capítulo 2 presenta las técnicas observacionales requeridas para el estudio multi-longitud de onda de estos objetos y da cuenta del significativo esfuerzo observacional realizado; entre otros: observaciones foto-polarimétricas en longitudes de onda milimétricas en el telescopio IRAM de 30m dentro del programa POLAMI, observaciones y reducción de datos foto-polarimétricos en óptico en los observatorios de Sierra Nevada y Calar Alto, y toma y análisis de datos in situ de observaciones de rayos γ de muy alta energía con los telescopios MAGIC y LST-1 en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma. Los Capítulos 3, 4 y 5 presentan investigaciones novedosas realizadas en el marco de esta tesis, y corresponden a tres artículos aceptados en revistas de alto impacto revisadas por pares. Los Capítulos 3 y 4 son estudios detallados en múltiples longitudes de onda de la fuente blázar AO 0235+164, una fuente que muestra características particularmente interesantes como actividad de erupciones repetidas, emisión en múltiples longitudes de onda fuertemente correlacionada, comportamiento inusual en el espectro de rayos X y variaciones en el ángulo de propagación de componentes identificadas en imágenes VLBI de alta resolución, entre otras. Se combinan múltiples enfoques para abordar el problema de explicar el comportamiento de esta fuente, como análisis de correlaciones cruzadas, análisis geométrico y cinemático de componentes en VLBI, modelado de la distribución de energía espectral en múltiples épocas y otros análisis, de manera compatible y coherente. El Capítulo 5 presenta IOP4, una pipeline desarrollada como parte de esta tesis para abordar los desafíos de los programas de monitoreo foto-polarimétrico en óptico de estas fuentes, que son una herramienta esencial para cualquier estudio integral sobre los blázares. El artículo describe el diseño básico y la implementación de la pipeline, así como algunas de sus características novedosas. Finalmente, resumimos el trabajo realizado y destacamos nuestras conclusiones en el Capítulo 6.