A search for chaos in the optical light curve of a blazar: W2R 1926+42

Aims. In this work we search for the signatures of low-dimensional chaos in the temporal behavior of the Kepler-field blazar W2R 1946+42. Methods. We use a publicly available, similar to 160 000-point-long and mostly equally spaced light curve of W2R 1946+42. We apply the correlation integral method to both real datasets and phase randomized surrogates. Results. We are not able to confirm the presence of low-dimensional chaos in the light curve. This result, however, still leads to some important implications for blazar emission mechanisms, which are discussed.

Proprietà radio dei blazar e loro uso nell'identificazione di sorgenti gamma extragalattiche

L'identificazione di un blazar è molto difficile, questo è un oggetto molto particolare e che ha un'attività molto ricca. Nella pratica l'identificazione di un blazar avviene confrontando la sua emissione in banda radio con la sua emissione in banda gamma, che sono entrambe proprie dei blazar. Il problema è che non si dispone di un telescopio in grado di rivelare con estrema precisione entrambe le bande, quindi si procede utilizzando i dati radio provenienti da un dato radiotelescopio e i dati in banda gamma provenienti da un altro telescopio. Quando le emissioni nelle due bande presentano, ad esempio, una variabilità simultanea, l'identificazione è certa. Ma questa minoranza di casi non è molto frequente e quindi spesso si procede con un'analisi probabilistica basata sulle posizioni delle sorgenti. Il lancio di Fermi nel 2008 ha portato ad un fortissimo aumento del numero di sorgenti gamma note e, fra queste, la maggior parte sono blazar. Una significativa frazione di queste sorgenti Fermi (circa il 30%) rimane non identificata. In questo lavoro vengono inizialmente caratterizzate le proprietà radio dei blazar e in particolare dei blazar gamma noti finora. In seguito verrà approfondita l'analisi delle sorgenti Fermi non identificate per stabilire una possibile compatibilità con le proprietà dei blazar e quindi per cercare di capire se queste sorgenti possano essere a loro volta dei blazar non ancora riconosciuti.

The nature of microvariability in blazar 0716+714

We organized an international campaign to observe the blazar 0716+714 in the optical band. The observations took place from February 24, 2009 to February 26, 2009. The global campaign was carried out by observers from more that sixteen countries and resulted in an extended light curve nearly seventy-eight hours long. The analysis and the modeling of this light curve form the main work of this dissertation project. In the first part of this work, we present the time series and noise analyses of the data. The time series analysis utilizes discrete Fourier transform and wavelet analysis routines to search for periods in the light curve. We then present results of the noise analysis which is based on the idea that each microvariability curve is the realization of the same underlying stochastic noise processes in the blazar jet. ^ Neither reoccuring periods nor random noise can successfully explain the observed optical fluctuations. Hence in the second part, we propose and develop a new model to account for the microvariability we see in blazar 0716+714. We propose that the microvariability is due to the emission from turbulent regions in the jet that are energized by the passage of relativistic shocks. Emission from each turbulent cell forms a pulse of emission, and when convolved with other pulses, yields the observed light curve. We use the model to obtain estimates of the physical parameters of the emission regions in the jet.^

Multiwavelength observations of the blazar 1ES 1011+496 in Spring 2008

The BL Lac object 1ES 1011+496 was discovered at Very High Energy (VHE, E>100GeV) γ-rays by MAGIC in spring 2007. Before that the source was little studied in different wavelengths. Therefore a multi-wavelength (MWL) campaign was organized in spring 2008. Along MAGIC, the MWL campaign included the Mets¨ahovi radio observatory, Bell and KVA optical telescopes and the Swift and AGILE satellites. MAGIC observations span from March to May, 2008 for a total of 27.9 hours, of which 19.4 hours remained after quality cuts. The light curve showed no significant variability yielding an integral flux above 200 GeV of (1.3 ± 0.3) × 10^(−11) photons cm^(−2) s^( −1) . The differential VHE spectrum could be described with a power-law function with a spectral index of 3.3 ± 0.4. Both results were similar to those obtained during the discovery. Swift XRT observations revealed an X-ray flare, characterized by a harder-when-brighter trend, as is typical for high synchrotron peak BL Lac objects (HBL). Strong optical variability was found during the campaign, but no conclusion on the connection between the optical and VHE γ-ray bands could be drawn. The contemporaneous SED shows a synchrotron dominated source, unlike concluded in previous work based on non-simultaneous data, and is well described by a standard one–zone synchrotron self–Compton model. We also performed a study on the source classification. While the optical and X-ray data taken during our campaign show typical characteristics of an HBL, we suggest, based on archival data, that 1ES 1011+496 is actually a borderline case between intermediate and high synchrotron peak frequency BL Lac objects.

Insights into the emission of the blazar 1ES 1011+496 through unprecedented broadband observations during 2011 and 2012

Context. 1ES 1011+496 (z = 0.212) was discovered in very high-energy (VHE, E >100 GeV) γ rays with MAGIC in 2007. The absence of simultaneous data at lower energies led to an incomplete characterization of the broadband spectral energy distribution (SED). Aims. We study the source properties and the emission mechanisms, probing whether a simple one-zone synchrotron self-Compton (SSC) scenario is able to explain the observed broadband spectrum. Methods. We analyzed data in the range from VHE to radio data from 2011 and 2012 collected by MAGIC, Fermi-LAT, Swift, KVA, OVRO, and Metsähovi in addition to optical polarimetry data and radio maps from the Liverpool Telescope and MOJAVE. Results. The VHE spectrum was fit with a simple power law with a photon index of 3.69 ± 0.22 and a flux above 150 GeV of (1.46±0.16)×10^(−11) ph cm^(−2) s^(−1) . The source 1ES 1011+496 was found to be in a generally quiescent state at all observed wavelengths, showing only moderate variability from radio to X-rays. A low degree of polarization of less than 10% was measured in optical, while some bright features polarized up to 60% were observed in the radio jet. A similar trend in the rotation of the electric vector position angle was found in optical and radio. The radio maps indicated a superluminal motion of 1.8 ± 0.4 c, which is the highest speed statistically significant measured so far in a high-frequency-peaked BL Lac. Conclusions. For the first time, the high-energy bump in the broadband SED of 1ES 1011+496 could be fully characterized from 0.1 GeV to 1 TeV, which permitted a more reliable interpretation within the one-zone SSC scenario. The polarimetry data suggest that at least part of the optical emission has its origin in some of the bright radio features, while the low polarization in optical might be due to the contribution of parts of the radio jet with different orientations of the magnetic field with respect to the optical emission.

Calcolo del flusso di raggi-γ del Blazar PKS B1424-418

Lo scopo di questo lavoro è quello di analizzare i dati raccolti dal Large Area Telescope a bordo del satellite Fermi con l'obiettivo di ricavare il flusso di raggi-γ, di energia compresa tra 100 MeV e 300 GeV, prodotti dal Blazar PKS B1424-418 in un periodo compreso tra l'1 Gennaio 2012 e il 4 Settembre 2016. Secondo alcuni modelli questo blazar potrebbe essere infatti la prima sorgente di Ultra High Energy Cosmic Ray associata sperimentalmente all'emissione di neutrini. L'analisi dei dati è effettuata tramite il pacchetto di software Fermi Science Tools.

The Nature of Microvariability in Blazar 0716+714

We organized an international campaign to observe the blazar 0716+714 in the optical band. The observations took place from February 24, 2009 to February 26, 2009. The global campaign was carried out by observers from more that sixteen countries and resulted in an extended light curve nearly seventy-eight hours long. The analysis and the modeling of this light curve form the main work of this dissertation project. In the first part of this work, we present the time series and noise analyses of the data. The time series analysis utilizes discrete Fourier transform and wavelet analysis routines to search for periods in the light curve. We then present results of the noise analysis which is based on the idea that each microvariability curve is the realization of the same underlying stochastic noise processes in the blazar jet. Neither reoccuring periods nor random noise can successfully explain the observed optical fluctuations. Hence in the second part, we propose and develop a new model to account for the microvariability we see in blazar 0716+714. We propose that the microvariability is due to the emission from turbulent regions in the jet that are energized by the passage of relativistic shocks. Emission from each turbulent cell forms a pulse of emission, and when convolved with other pulses, yields the observed light curve. We use the model to obtain estimates of the physical parameters of the emission regions in the jet.

Contribution from unresolved discrete sources to the extragalactic gamma-ray background (EGRB)

The origin of the extragalactic gamma-ray background (EGRB) is still an open question, even nearly forty years after its discovery. The emission could originate either from truly diffuse processes or from unresolved point sources. Although the majority of the 271 point sources detected by EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) are unidentified, of the identified sources, blazars are the dominant candidates. Therefore, unresolved blazars may be considered the main contributor to the EGRB, and many studies have been carried out to understand their distribution, evolution and contribution to the EGRB. Considering that gamma-ray emission comes mostly from jets of blazars and that the jet emission decreases rapidly with increasing jet to line-of-sight angle, it is not surprising that EGRET was not able to detect many large inclination angle active galactic nuclei (AGNs). Though Fermi could only detect a few large inclination angle AGNs during the first three months of its survey, it is expected to detect many such sources in the near future. Since non-blazar AGNs are expected to have higher density as compared to blazars, these could also contribute significantly to the EGRB. In this paper, we discuss contributions from unresolved discrete sources including normal galaxies, starburst galaxies, blazars and off-axis AGNs to the EGRB.

Particle acceleration and magnetic field structure in PKS 2155-304: optical polarimetric observations

In this paper, we present multiband optical polarimetric observations of the very-high energy blazar PKS 2155-304 made simultaneously with a HESS/Fermi high-energy campaign in 2008, when the source was found to be in a low state. The intense daily coverage of the data set allowed us to study in detail the temporal evolution of the emission, and we found that the particle acceleration time-scales are decoupled from the changes in the polarimetric properties of the source. We present a model in which the optical polarimetric emission originates at the polarized mm-wave core and propose an explanation for the lack of correlation between the photometric and polarimetric fluxes. The optical emission is consistent with an inhomogeneous synchrotron source in which the large-scale field is locally organized by a shock in which particle acceleration takes place. Finally, we use these optical polarimetric observations of PKS 2155-304 at a low state to propose an origin for the quiescent gamma-ray flux of the object, in an attempt to provide clues for the source of its recently established persistent TeV emission.

Ricerca dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie fri e frii

Lo scenario di unificazione degli AGN caratterizza le molteplici proprietà di questi oggetti in termini del differente angolo di vista rispetto ad un sistema costituito da un toro oscurante, un disco di accrescimento che alimenta il SMBH e nubi di gas che circondano il buco nero. Circa il 10% degli AGN sono forti sorgenti radio. Questi oggetti, detti AGN Radio-Loud, sono caratterizzati da getti relativistici emessi trasversalmente rispetto al disco di accrescimento e comprendono le radio galassie e i blazar. In accordo con il modello unificato, le radio galassie (MAGN), rappresentano i blazar visti a grandi angoli di inclinazione del getto rispetto alla linea di vista. Nei blazar la radiazione emessa dai getti su scale del pc viene amplificata da effetti relativistici dando origine a spettri piatti con elevata polarizzazione ottica e forte variabilità. Questi oggetti rappresentano le sorgenti più brillanti identificate nel cielo gamma extragalattico. I MAGN, a differenza dei blazar, mostrano spettri ripidi e strutture radio quasi simmetriche. In queste sorgenti, l'effetto del Doppler boosting è meno evidente a causa del grande angolo di inclinazione del getto. In soli 3 mesi di osservazioni scientifiche effettuate con il satellite Fermi è stata rivelata emissione gamma da parte delle radio galassie NGC 1275 e Cen A. I MAGN rappresentano una nuova classe di sorgenti gamma. Tuttavia, il numero di radio galassie rivelate è sorprendentemente piccolo ponendo degli interrogativi sui meccanismi di emissione alle alte energie di questi oggetti. Nel presente lavoro di tesi, si analizzeranno i dati gamma raccolti dal LAT durante i primi 5 anni di osservazioni scientifiche per un campione di 10 radio galassie più brillanti selezionate dai cataloghi B2 e BCS. L'obiettivo principale sarà migliorare la statistica e cercare di comprendere la natura dell'emissione alle alte energie da parte delle radio galassie.

Radio follow-up of the gamma-ray flaring gravitational lens B0218+357

B0218+357 è un blazar soggetto al lensing che si trova a z=0.944. Questo sistema consiste in due componenti compatte (A e B) e un anello di Einstein. Recentemente è stato associato ad una sorgente gamma soggetta a burst osservata con il satellite Fermi-LAT. Questo blazar ha mostrato una forte variabilità in banda γ da agosto a settembre del 2012. Gli episodi di variabilità osservati hanno consentito di misurare per la prima volta in banda gamma il ritardo temporale previsto dalla teoria del lensing gravitazionale. Le osservazioni in banda gamma sono state seguite da un programma di monitoring con il Very Long Baseline Array (VLBA) in banda radio con lo scopo di verificare l’esistenza di una correlazione tra l’emissione nelle due bande. In questa Tesi tali osservazioni radio sono state analizzate con lo scopo di studiare la variabilità di B0218+357 e, quindi, attestare la connessione tra l’emissione alle alte energie e quella in banda radio. L’obiettivo principale di questo lavoro di Tesi è quello di studiare l’evoluzione della densità di flusso, dell’indice spettrale e della morfologia delle immagini A e B e delle loro sottocomponenti. I dati analizzati sono stati ottenuti con l’interferometro VLBA a tre frequenze di osser- vazione: 2.3, 8.4 GHz (4 epoche con osservazioni simultanee alle due frequenze) e 22 GHz (16 epoche). Le osservazioni hanno coperto un periodo di circa due mesi, subito successivo al flare in banda gamma. La riduzione dei dati è stata effettuata con il pacchetto AIPS. Dall’analisi delle immagini, nella componente B è possibile riconoscere la tipica struttura nucleo-getto chiaramente a tutte e tre le frequenze, invece nella componente A questa struttura è identificabile solo a 22 GHz. A 2.3 e 8.4 GHz la risoluzione non è sufficiente a risolvere nucleo e getto della componente A e l’emissione diffusa risulta dominante. Utilizzando il metodo dello stacking sulle immagini a 2.3 GHz, è stato possibile rivelare le parti più brillanti dell’Einstein ring associato a questa sorgente. Questo è stato possibile poiché la sorgente non ha mostrato alcun segno di variabilità significativa né di struttura né di flusso nelle componenti. Quindi dall’analisi delle curve di luce delle due componenti A e B non è emersa una variabilità significativa chiaramente associabile al flare osservato in banda gamma. Per verificare questo risultato, le curve di luce ottenute sono state confrontate con le osservazioni del radio telescopio OVRO (15 GHz) nel periodo corrispondente alle nostre osservazioni. La curva di luce OVRO è risultata in pieno accordo con le curve di luce ottenute durante questo lavoro di tesi e ha confermato che B0218+257 non ha mostrato un’importante attività radio nel periodo delle osservazioni VLBA. In definitiva, la mancanza di variabilità radio associata a quella osservata nei raggi gamma può essere dovuta al fatto che la regione in cui si è originato il flare gamma è otticamente spessa alle lunghezze d’onda radio, oppure non esiste una precisa correlazione tra le due emissioni, rimanendo quindi un problema aperto da investigare.

Non-thermal emission in High Frequency Peaked blazars towards the Square Kilometer Array era

In this thesis work we will explore and discuss the properties of the gamma-ray sources included in the first Fermi-LAT catalog of sources above 10 GeV (1FHL), by considering both blazars and the non negligible fraction of still unassociated gamma-ray sources (UGS, 13%). We perform a statistical analysis of a complete sample of hard gamma-ray sources, included in the 1FHL catalog, mostly composed of HSP blazars, and we present new VLBI observations of the faintest members of the sample. The new VLBI data, complemented by an extensive search of the archives for brighter sources, are essential to gather a sample as large as possible for the assessment of the significance of the correlation between radio and very high energy (E>100 GeV) emission bands. After the characterization of the statistical properties of HSP blazars and UGS, we use a complementary approach, by focusing on an intensive multi-frequency observing VLBI and gamma-ray campaign carried out for one of the most remarkable and closest HSP blazar Markarian 421.