Study of the origin of rapid variability in blazars - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study of the origin of rapid variability in blazars

Étude de l’origine de la variabilité rapide dans les blazars

Anna Luashvili
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1374186
  • IdRef : 276993136

Résumé

AGN are the compact cores of galaxies which are referred to as active, when they show signs of matter accretion onto a super-massive black hole at their centre and development of relativistic jets, able to expel highly energetic particles at great distances from their centre. Their main characteristics are extremely luminous cores, which outshine the host galaxy radiation, and highly variable emission across the entire electromagnetic spectrum, from radio to very high, sometimes up to TeV energies, ascribed to non-thermal processes at play in the jet.Approximately 10% of AGN are found to be radio-loud, which exhibit a powerful jet and are divided into the groups of radio galaxies and blazars. In the case of blazars, the jet is closely aligned with the line of sight of the observer and due to relativistic effects, their radiation is heavily Doppler boosted and variability timescales are reduced in the observer’s frame, where high amplitude variability can be observed on timescales down to few minutes only. Such violent events are called flares, with the most spectacular outbursts being observed at the highest energies.In order to study the physical origin of rapid variability observed in blazars and AGN in general, a two-fold apporach is nessecary: coordination of extensive multi-wavelength monitoring programs of variable sources, with the ability to swiftly trigger follow-up observations in response to various alerts, in order to collect coherent sets of quasi-simultaneous data at different frequencies and next, their analysis and interpretation by means of radiative transfer models. In this thesis, I try to summarise my contribution to each of these steps.I had the pleasure to be part of the High Energy Stereoscopic System (HESS) collaboration, operating an imaging Cherenkov telescope array in Namibia, which allows us to detect extremely powerful irruptions in distant AGN at very high energies. I could participate in on-site observations, being part of the Target of Opportunity (ToO) group, where we track variable AGN, request and follow MWL observations and especially HESS triggers, which lead to many exciting discoveries over the years. Statistical characterisation of HESS-detected AGN flares and the study of an extremely variable blazar 3C 279 through its most spectacular flaring events detected at high and very high energies constitute my main contributions to two task forces in the AGN working group of HESS.This thesis starts with an introduction to the AGN family and our current vision of the unification scheme. It presents the different physical scenarios which are generally invoked to explain variability with different timescales in blazars and AGN in general. Next, radiative models are presented, suited for two sub-classes of blazars. Moreover, high and very high energy data analysis techniques, collected with Fermi telescope and HESS are detailed, necessary to constrain the radiative models. They are illustrated with the examples of major high and very high energy flare data sets of 3C 279.The modelling of various high energy gamma-ray activity states of a sample of peculiar Narrow-Line Seyfert 1 galaxies (which were not thought to be able to develop powerful jets), and the statistical characterisation of AGN flares detected with HESS constitute the major core of this thesis.Blazars are the dominant population of sources producing high energy gamma-rays. There is strong indication that they are emitters of high energy neutrinos and possibly ultra-high energy cosmic rays as well. They serve as natural laboratories for fundamental physics tests. Many questions still remain open and it is an exciting era for time-dependent and multi-messenger astronomy.
Les AGN sont des cœurs compacts de galaxies appelées actives lorsqu’elles montrent des signes d’accrétion de matière sur un trou noir super massif situé dans leur centre et de développement de jets relativistes, capables d’éjecter des particules énergétiques à de grandes distances de leur centre. Leurs principales caractéristiques sont l’extrême brillance de leurs cœurs, dominant l’émission la galaxie hôte, et une émission fortement variable sur tout le spectre électromagnétique, allant des fréquences radio jusqu’aux plus hautes, parfois TeV énergies, attribuée aux processus non-thermiques se produisant dans le jet. Environ 10% d’AGN sont radio-lourd, montrant un jet puissant, et sont divisés en radio galaxies et blazars. Les blazars ont un jet relativiste qui est orienté vers l’observateur. A cause des effets relativistes, leur émission est fortement amplifiée et les temps caractéristiques de variabilité sont réduites dans le référentiel de l’observateur, où nous observons parfois de fortes variabilités de flux sur des échelles de temps aussi courts que quelques minutes seulement - événements violents appelés éruptions (flares en anglais). Ils sont les plus spectaculaires dans les plus hautes énergies.Pour étudier l’origine physique de la variabilité observée dans les blazars et AGN en général, une double approche est nécessaire : coordination de programme de surveillance multi-longueur d’onde de sources variables, avec une capacité de déclenchement rapide d’observations en réponse à différentes alertes, pour acquérir des données quasi-simultanées complètes, puis leur analyse et interprétation à l’aide de modèles de transfert radiatif. Dans cette thèse, j’essaie de résumer ma contribution à chacune de ces étapes.J’ai eu le plaisir de faire partie de la collaboration H.E.S.S., qui dirige un réseau de télescopes Cherenkov en Namibie, permettant la détection des éruptions extrêmement puissantes aux très hautes énergies des AGN. J’ai pu contribuer aux observations au sol, faire partie du groupe de sources d’opportunité, qui suit les AGN les plus variables et déclenche des suivis multi-fréquences et en particulier par HESS. La caractérisation statistique des éruptions des AGN détectées par HESS et l’étude d’un blazar extrêmement variable 3C 279, à travers ses éruptions les plus spectaculaires aux hautes et très hautes énergies constituent mes contributions majeures à deux projets menés au sein du groupe de travail sur les AGN de la collaboration HESS.Ce manuscrit commence par introduire la famille d’AGN et notre vision actuelle du scénario unifié. Il présente les différents scénarios physiques généralement évoquées pour expliquer la variabilité des blazars et AGN en général, à différentes échelles temporelles. Puis, des modèles de transfert radiatif sont présentés, qui s’appliquent à deux sous-classes de blazars. Les méthodes d’analyse de données hautes et très hautes énergies sont également détaillées, obtenues par le télescope spatial Fermi et HESS au sol, nécessaires pour contraindre les modèles radiatifs. Ils sont illustrés à travers les exemples de données des éruptions majeures de 3C 279, détectées aux hautes et très hautes énergies. La modélisation de différents états d’activité en rayonnements gamma de hautes énergies d’un échantillon de galaxies particulières Seyfert de type 1 à raies étroites (que l’on pensait être incapable de développer des jets puissants), et la caractérisation statistique des éruptions d’AGN détectés par HESS constituent le cœur central de cette thèse.Les blazars forment la population principale de sources émettrices de rayonnement gamma de hautes énergies, soupçonnés être émetteurs de neutrinos de hautes énergies et potentiellement des rayons cosmiques d’ultra-hautes énergies. Ils servent comme laboratoires naturels pour des tests de physique fondamentale. Beaucoup de questions restent ouvertes et c’est une époque motivante pour l’astronomie dépendante du temps et multi-messager.
Fichier principal
Vignette du fichier
2023UPSLO014_archivage.pdf (146.11 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04542845 , version 1 (11-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04542845 , version 1

Citer

Anna Luashvili. Study of the origin of rapid variability in blazars. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPSLO014⟩. ⟨tel-04542845⟩
5 Consultations
0 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More