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Institut für Astronomie und Astrophysik

Abteilung Astronomie

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Dissertation Monika Bezler


Datenanalyse einer Beobachtung des Quasars 3C 273 im Hochenergie-Röntgenbereich

Summary.
Die vorliegende Arbeit gehört zu einem sehr jungen Teilgebiet der Astronomie, denn die Beobachtung extragalaktischer Quellen im Röntgenbereich setzt zwei wesentliche Dinge voraus. Röntgenbeobachtungen waren erst möglich, nachdem die technischen Voraussetzungen für nicht erdgebundene Beobachtungen geschaffen waren, weil durch die Rbsorption von Strahlung in der Erdatmosphäre die Beobachtungsmöglichkeiten auf dem Erdboden eingeschränkt sind. Eine zweite Voraussetzung für die Beobachtung extragalaktischer Objekte ist, daß Detektoren mit genügend hoher Empfindlichkeit zur Verfügung stehen müssen. So wurde erst 1966 die erste Galaxie, M 87, im Röntgenbereich entdeckt.
Das besondere Interesse der Röntgenastronomie an den aktiven Galaxien gründet sich darauf, daß viele dieser Objekte den Hauptteil ihrer Strahlung gerade im Röntgenbereich emittieren. Röntgenstrahlung kann nur in Gebieten hoher Temperatur oder hoher Magnetfetdstärken entstehen. flndererseits deuten die beobachteten Zeitskalen von Intensitätsvariationen auf kleine Emissionsgebiete hin. Wichtig zum Verständnis der aktiven Galaxien ist daher die Beantwortung der Frage nach der primären Energiequelle und dem Mechanismus der Urnwandlung anderer Energieformen in Strahlungsenergie.
Das Spektrum des Quasars 3C 273 wurde Ende der siebziger Jahre mehrfach im Energiebereich zwischen ~10 keV und ~200 keV gemessen, die Messungen zeigten einen Potenzgesetz-Verlauf (dN/dE ~ Ealpha in Photonen pro Flächen-, Zeit- und Energieeinheit) mit Photonenindizes alpha zwischen -1.4 und -1.8. Dabei schien sich vor allem in den Messungen mit dem Satelliten HEAO-1 ein Abknicken des Spektrums oberhalb von etwa 30 keV anzudeuten.
Dieser sogenannte cut-off muß irgendwo bei hohen Energien im Spektrum auftreten. Denn die Energieabstrahlung einer Quelle wäre unendlich groß, wenn ein Photonenindex, der größer ist als minus zwei, bis zu beliebig hohen Energien gilt. Ein zweiter Hinweis auf den cut-off ist die allgemein akzeptierte Theorie, nach der die isotrope Hintergrundstrahlung, die man oberhalb von 2 keV beobachtet, zum großen Teil aus der Strahlung nicht aufgelöster, aktiver Galaxien besteht, von denen die Quasare eine Untergruppe bilden. Diese Hintergrundstrahlung nimmt oberhalb von etwa 40 keV stark ab. Da 3C 273 die einzige gesicherte Gammaquelle ist, kommt bei dieser Quelle noch ein drittes Argument hinzu: Das Spektrum der Messungen mit dem COS B-Satelliten zeigt zwischen 50 MeV und 800 MeV einen Photonenindex von -2.6.
Der cut-off ist von großem Interesse, weil seine Form Hinweise auf den Emissionsmechanismus der Röntgenstrahlung gibt. Wenn die Röntgenstrahlung durch inverse Compton-5treuung von Photonen in einem heißen Plasma entsteht, dann kann die Temperatur der Elektronen im Plasma bestimmt werden anhand der Energie, bei der der cut-off im Röntgenspektrum auftritt.
Um diesen cut-off im Spektrum von 3C 273 sicher zu etablieren, wurde im September 1981 eine knapp vierstündige Beobachtung von 3C 273 mit dem Ballonteleskop HEXE (High Energy X-ray Experiment!) des Astronomischen Instituts in Tübingen und des Max-Planck-Instituts in Garching bei Energien zwischen 18 keV und 240 keV durchgeführt. Die Aufgabe dieser Prbeit bestand zunächst darin, die Daten dieser Messung auszuwerten und ein Spektrum zu ersteLlen. Das Ergebnis war überraschend:
- es wurde ein Potenzgesetz sehr flacher Steigung von -1.2 gefunden,
- bis 240 keV ist in diesem Spektrum kein cut-off erkennbar,
- im Vergleich zu den HEAO-A4 Daten wurde ein Anwachsen der Leuchtkraft um einen Faktor 3 zwischen 20 keV und 200 keV mit einer Signifikanz von 6 Standardabweichungen beobachtet.
Bei dieser Beobachtung wurde im Vergleich zu älteren Messungen zum ersten Mal eine spektrale Veränderung von 3C 273 in diesem Energiebereich beobachtet!
Das Resultat der Datenanalyse wurde einerseits durch die Abschätzung der systematischen Fehler und durch statistische Untersuchungen der Zählraten abgesichert, andererseits durch eine Analyse von Daten des Crabpulsars und -nebels aus demselben Ballonflug unter Verwendung der gleichen Rechnerprogramme wie bei 3C 273.
Durch das unerwartete Ergebnis stellte sich die Frage, welche der zahlreichen theoretischen Modelle für aktive Galaxien mit dieser spektralen Veränderung in Einklang stehen. Folgende Modelle wurden untersucht:
- Synchrotron-5elbst-Comptonisierung,
- inverse Compton-Streuung durch nicht relativistische, Maxwell-verteilte Elektronen, insbesondere: die Lösung der allgemeinen Kompaneets-Gleichung von Katz (1976), die Lösung der stationären Kompaneets-Gleichung von Sunyaev und Titarchuk (1980), das Zwei-Temperatur-Modell von Shapiro et al. (1976), das Reflektionsmodell von Lightman und Rybicki (1379a, 1980), das Modell mit nicht konstanter Plasmatemperatur von Guilbert et al. (1982), die Korona-Modelle von Liang und Price (1977) und Galeev et al. (1979).
- Bremsstrahlung Maxwell-verteilter Elektronen bei sphärischer Akkretion.
Es zeigte sich, daß von diesen Modellen nur zwei mit Sicherheit ausgeschlossen werden können, nämlich das Zwei-Temperatur-Modell von Shapiro et al. (1976) und das Reflektionsmodell von Lightman und Rybicki (1979a, 1980).
Es schließen sich deshalb am Ende der Arbeit Vorschläge für Beobachtungen an, die weiteren flufschluß über die Emissionsmechanismen und die physikalischen Bedingungen in den Kernen aktiver Galaxien geben könnten.
 

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Last modified 14 Jul 2011
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