Unified jet emission modeling for gamma-loud AGN

Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont observés sur l'ensemble du spectre électromagnétique, de la bande radio jusqu'au rayonnement gamma de très hautes énergies. Une part importante du flux est émise depuis les jets relativistes qui sont une composante essentielle des AGN. Le rayonnement est non thermique et il peut être expliqué via la présence d'une population de particule relativiste accélérée aux hautes énergies. Les observations radio very long baseline interferometry (VLBI) trahissent la présence d'une grande variété de zones d'émission nommées nœuds. Certains nœuds sont quasi stationnaires et d'autres se propagent le long du jet. Le déplacement de tels nœuds semble être corrélé avec une certaine variabilité multilongueurs d'onde. Toutefois, les caractéristiques de cette variabilité, notamment sa durée, évoluent avec la fréquence et laissent envisager la présence de mécanismes complexe d'accélération des particules et de refroidissement. L'ensemble de ces contraintes observationnelles permet d'envisager la construction d'un modèle unifié de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma. L'approche avancée dans ce manuscrit repose sur le scénario dit "choc - choc''. Ce dernier s'appuie sur l'idée que des interactions entre des chocs en mouvement et quasi stationnaires permettent d'expliquer une grande part des observations multilongueurs d'onde. Dans ce manuscrit, nous proposons donc un modèle cohérent permettant de combiner l'utilisation de simulations magnétohydrodynamiques en relativité restreinte pour modéliser différents types de jets relativistes (code MPI-AMRVAC) avec un traitement du transfert radiatif (code RIPTIDE). Le code RIPTIDE a été développé pendant la thèse et permet d'interpréter les résultats de MPI-AMRVAC en simulant le rayonnement synchrotron (et Synchrotron Self-Compton (SSC)) provenant d'une population d'électrons non thermiques relativistes. L'obtention de cartes de flux, mais aussi de courbes de lumières, permet de comparer nos résultats à de véritables observations. La nature relativiste du jet impose la prise en compte de nombreux effets relativistes comme le Doppler beaming et le light crossing effect (LCE) qui sont totalement pris en compte dans RIPTIDE.Ce modèle a pour but de reproduire le rayonnement multilongueurs d'onde observée dans certains types d'AGN via le scénario choc - choc. Pour ce faire, différents types de jets ont pu être testés. Certains présentant une structuration transverse et d'autres présentant une structure de champ magnétique à large échelle. Nous révélons que la présence de telles structures influence fortement les caractéristiques des chocs stationnaires présents dans le jet. Le jet est sujet à une perturbation qui permet l'émergence d'une onde de choc mobile qui va interagir et déstabiliser les chocs stationnaires. Selon l'intensité de cette interaction, nous pourrons observer l'oscillation des chocs stationnaires perturbés voir leur dérive à l'arrière du choc mobile. Nous formalisons dans ce manuscrit l'émergence et la propagation de tels chocs nommés ici chocs de relaxation. L'ensemble de ces composantes dispose de leurs propres signatures en rayonnements. Les chocs en mouvements génèrent de multiples éruptions multilongueurs d'onde lors des interactions choc - choc et les chocs de relaxations montrent des marqueurs observationnels plus complexes. Nos résultats ont pu être comparés avec de véritables observations provenant de diverses sources. Ces comparaisons qualitatives montrent des résultats encourageants et prometteurs laissant penser que le scénario choc - choc est susceptible d'expliquer une partie des observations. L'ajout récent du processus SSC et futur de la polarisation synchrotron laisse entrevoir de futures comparaisons pouvant permettre la modélisation unifiée des AGN détectés en rayons gamma.Active galactic nuclei (AGN) are observed over the entire electromagnetic spectrum, from the radio band to the very high energy gamma band. An important part of the flux is emitted from relativistic jets, which are an essential component of AGN. The radiation is non-thermal and can be explained through the presence of an accelerated relativistic particle population at high energies. Radio observations from very long baseline interferometry (VLBI) show the presence of a wide variety of emission zones called nodes; some nodes are quasi-stationary and others propagate along the jet. The movement of such nodes appears to be correlated with some multi-wavelength variability. However, the characteristics of this variability, in particular its duration, evolve with frequency and suggest the presence of complex particle acceleration and cooling mechanisms.All these observational constraints allow considering the construction of a unified model of the emission of AGN detected in gamma rays. The approach proposed in this manuscript is based on the so-called "shock - shock'' scenario. The latter is based on the idea that interactions between moving and quasi-stationary shocks can explain a large part of the multi-wavelength observations.In this manuscript, we propose a coherent model that combines the use of special relativity magnetohydrodynamic (SR-MHD) simulations to model different types of relativistic jets (MPI-AMRVAC code) with a treatment of the radiative transfer (RIPTIDE code). The code RIPTIDE was developed during the thesis and allows to interpret the results of MPI-AMRVAC by simulating the synchrotron radiation (and Synchrotron Self-Compton (SSC)) coming from a population of relativistic non-thermal electrons. Obtaining flux maps but also light curves allows us to compare our results to real observations. The relativistic nature of the jet imposes to take into account many relativistic effects such as the Doppler beaming and the light crossing effect (LCE) which are fully taken into account in this work.This model aims at reproducing the multi-wavelength radiation observed in some types of AGN through the shock-shock scenario. To do so, different types of jets could be tested; some with transverse structuring and/or others with a large-scale magnetic field structure. We reveal that the presence of such structures strongly influences the characteristics of the stationary shocks present in the jet. The jet is subject to a perturbation that allows the emergence of a mobile shock wave that will interact and destabilize the stationary shocks. Depending on the intensity of this interaction, we will be able to observe the oscillation of the disturbed stationary shocks or even their drift behind the mobile shock. We formalize in this manuscript the emergence and the propagation of such shocks, named here relaxation shocks.All these components have their own radiation signatures. The stationary structure of the jet shows a more or less extensive emission depending on the energy considered, the cooling of the electrons being faster at the highest energies. The moving shocks generate multiple multi-wavelength flares during shock-shock interactions, and the relaxation shocks show more complex observational markers.Our results could be compared with real observations from various sources. These qualitative comparisons show encouraging and promising results, suggesting that the shock-shock scenario is likely to explain part of the observations. The recent addition of the SSC process and the future addition of synchrotron polarization suggest future comparisons that may allow the unified modeling of AGN detected in gamma rays

Modélisation unifiée de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma

Active galactic nuclei (AGN) are observed over the entire electromagnetic spectrum, from the radio band to the very high energy gamma band. An important part of the flux is emitted from relativistic jets, which are an essential component of AGN. The radiation is non-thermal and can be explained through the presence of an accelerated relativistic particle population at high energies. Radio observations from very long baseline interferometry (VLBI) show the presence of a wide variety of emission zones called nodes; some nodes are quasi-stationary and others propagate along the jet. The movement of such nodes appears to be correlated with some multi-wavelength variability. However, the characteristics of this variability, in particular its duration, evolve with frequency and suggest the presence of complex particle acceleration and cooling mechanisms.All these observational constraints allow considering the construction of a unified model of the emission of AGN detected in gamma rays. The approach proposed in this manuscript is based on the so-called "shock - shock'' scenario. The latter is based on the idea that interactions between moving and quasi-stationary shocks can explain a large part of the multi-wavelength observations.In this manuscript, we propose a coherent model that combines the use of special relativity magnetohydrodynamic (SR-MHD) simulations to model different types of relativistic jets (MPI-AMRVAC code) with a treatment of the radiative transfer (RIPTIDE code). The code RIPTIDE was developed during the thesis and allows to interpret the results of MPI-AMRVAC by simulating the synchrotron radiation (and Synchrotron Self-Compton (SSC)) coming from a population of relativistic non-thermal electrons. Obtaining flux maps but also light curves allows us to compare our results to real observations. The relativistic nature of the jet imposes to take into account many relativistic effects such as the Doppler beaming and the light crossing effect (LCE) which are fully taken into account in this work.This model aims at reproducing the multi-wavelength radiation observed in some types of AGN through the shock-shock scenario. To do so, different types of jets could be tested; some with transverse structuring and/or others with a large-scale magnetic field structure. We reveal that the presence of such structures strongly influences the characteristics of the stationary shocks present in the jet. The jet is subject to a perturbation that allows the emergence of a mobile shock wave that will interact and destabilize the stationary shocks. Depending on the intensity of this interaction, we will be able to observe the oscillation of the disturbed stationary shocks or even their drift behind the mobile shock. We formalize in this manuscript the emergence and the propagation of such shocks, named here relaxation shocks.All these components have their own radiation signatures. The stationary structure of the jet shows a more or less extensive emission depending on the energy considered, the cooling of the electrons being faster at the highest energies. The moving shocks generate multiple multi-wavelength flares during shock-shock interactions, and the relaxation shocks show more complex observational markers.Our results could be compared with real observations from various sources. These qualitative comparisons show encouraging and promising results, suggesting that the shock-shock scenario is likely to explain part of the observations. The recent addition of the SSC process and the future addition of synchrotron polarization suggest future comparisons that may allow the unified modeling of AGN detected in gamma rays.Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont observés sur l'ensemble du spectre électromagnétique, de la bande radio jusqu'au rayonnement gamma de très hautes énergies. Une part importante du flux est émise depuis les jets relativistes qui sont une composante essentielle des AGN. Le rayonnement est non thermique et il peut être expliqué via la présence d'une population de particule relativiste accélérée aux hautes énergies. Les observations radio very long baseline interferometry (VLBI) trahissent la présence d'une grande variété de zones d'émission nommées nœuds. Certains nœuds sont quasi stationnaires et d'autres se propagent le long du jet. Le déplacement de tels nœuds semble être corrélé avec une certaine variabilité multilongueurs d'onde. Toutefois, les caractéristiques de cette variabilité, notamment sa durée, évoluent avec la fréquence et laissent envisager la présence de mécanismes complexe d'accélération des particules et de refroidissement. L'ensemble de ces contraintes observationnelles permet d'envisager la construction d'un modèle unifié de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma. L'approche avancée dans ce manuscrit repose sur le scénario dit "choc - choc''. Ce dernier s'appuie sur l'idée que des interactions entre des chocs en mouvement et quasi stationnaires permettent d'expliquer une grande part des observations multilongueurs d'onde. Dans ce manuscrit, nous proposons donc un modèle cohérent permettant de combiner l'utilisation de simulations magnétohydrodynamiques en relativité restreinte pour modéliser différents types de jets relativistes (code MPI-AMRVAC) avec un traitement du transfert radiatif (code RIPTIDE). Le code RIPTIDE a été développé pendant la thèse et permet d'interpréter les résultats de MPI-AMRVAC en simulant le rayonnement synchrotron (et Synchrotron Self-Compton (SSC)) provenant d'une population d'électrons non thermiques relativistes. L'obtention de cartes de flux, mais aussi de courbes de lumières, permet de comparer nos résultats à de véritables observations. La nature relativiste du jet impose la prise en compte de nombreux effets relativistes comme le Doppler beaming et le light crossing effect (LCE) qui sont totalement pris en compte dans RIPTIDE.Ce modèle a pour but de reproduire le rayonnement multilongueurs d'onde observée dans certains types d'AGN via le scénario choc - choc. Pour ce faire, différents types de jets ont pu être testés. Certains présentant une structuration transverse et d'autres présentant une structure de champ magnétique à large échelle. Nous révélons que la présence de telles structures influence fortement les caractéristiques des chocs stationnaires présents dans le jet. Le jet est sujet à une perturbation qui permet l'émergence d'une onde de choc mobile qui va interagir et déstabiliser les chocs stationnaires. Selon l'intensité de cette interaction, nous pourrons observer l'oscillation des chocs stationnaires perturbés voir leur dérive à l'arrière du choc mobile. Nous formalisons dans ce manuscrit l'émergence et la propagation de tels chocs nommés ici chocs de relaxation. L'ensemble de ces composantes dispose de leurs propres signatures en rayonnements. Les chocs en mouvements génèrent de multiples éruptions multilongueurs d'onde lors des interactions choc - choc et les chocs de relaxations montrent des marqueurs observationnels plus complexes. Nos résultats ont pu être comparés avec de véritables observations provenant de diverses sources. Ces comparaisons qualitatives montrent des résultats encourageants et prometteurs laissant penser que le scénario choc - choc est susceptible d'expliquer une partie des observations. L'ajout récent du processus SSC et futur de la polarisation synchrotron laisse entrevoir de futures comparaisons pouvant permettre la modélisation unifiée des AGN détectés en rayons gamma

Modélisation unifiée de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma

Active galactic nuclei (AGN) are observed over the entire electromagnetic spectrum, from the radio band to the very high energy gamma band. An important part of the flux is emitted from relativistic jets, which are an essential component of AGN. The radiation is non-thermal and can be explained through the presence of an accelerated relativistic particle population at high energies. Radio observations from very long baseline interferometry (VLBI) show the presence of a wide variety of emission zones called nodes; some nodes are quasi-stationary and others propagate along the jet. The movement of such nodes appears to be correlated with some multi-wavelength variability. However, the characteristics of this variability, in particular its duration, evolve with frequency and suggest the presence of complex particle acceleration and cooling mechanisms.All these observational constraints allow considering the construction of a unified model of the emission of AGN detected in gamma rays. The approach proposed in this manuscript is based on the so-called "shock - shock'' scenario. The latter is based on the idea that interactions between moving and quasi-stationary shocks can explain a large part of the multi-wavelength observations.In this manuscript, we propose a coherent model that combines the use of special relativity magnetohydrodynamic (SR-MHD) simulations to model different types of relativistic jets (MPI-AMRVAC code) with a treatment of the radiative transfer (RIPTIDE code). The code RIPTIDE was developed during the thesis and allows to interpret the results of MPI-AMRVAC by simulating the synchrotron radiation (and Synchrotron Self-Compton (SSC)) coming from a population of relativistic non-thermal electrons. Obtaining flux maps but also light curves allows us to compare our results to real observations. The relativistic nature of the jet imposes to take into account many relativistic effects such as the Doppler beaming and the light crossing effect (LCE) which are fully taken into account in this work.This model aims at reproducing the multi-wavelength radiation observed in some types of AGN through the shock-shock scenario. To do so, different types of jets could be tested; some with transverse structuring and/or others with a large-scale magnetic field structure. We reveal that the presence of such structures strongly influences the characteristics of the stationary shocks present in the jet. The jet is subject to a perturbation that allows the emergence of a mobile shock wave that will interact and destabilize the stationary shocks. Depending on the intensity of this interaction, we will be able to observe the oscillation of the disturbed stationary shocks or even their drift behind the mobile shock. We formalize in this manuscript the emergence and the propagation of such shocks, named here relaxation shocks.All these components have their own radiation signatures. The stationary structure of the jet shows a more or less extensive emission depending on the energy considered, the cooling of the electrons being faster at the highest energies. The moving shocks generate multiple multi-wavelength flares during shock-shock interactions, and the relaxation shocks show more complex observational markers.Our results could be compared with real observations from various sources. These qualitative comparisons show encouraging and promising results, suggesting that the shock-shock scenario is likely to explain part of the observations. The recent addition of the SSC process and the future addition of synchrotron polarization suggest future comparisons that may allow the unified modeling of AGN detected in gamma rays.Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont observés sur l'ensemble du spectre électromagnétique, de la bande radio jusqu'au rayonnement gamma de très hautes énergies. Une part importante du flux est émise depuis les jets relativistes qui sont une composante essentielle des AGN. Le rayonnement est non thermique et il peut être expliqué via la présence d'une population de particule relativiste accélérée aux hautes énergies. Les observations radio very long baseline interferometry (VLBI) trahissent la présence d'une grande variété de zones d'émission nommées nœuds. Certains nœuds sont quasi stationnaires et d'autres se propagent le long du jet. Le déplacement de tels nœuds semble être corrélé avec une certaine variabilité multilongueurs d'onde. Toutefois, les caractéristiques de cette variabilité, notamment sa durée, évoluent avec la fréquence et laissent envisager la présence de mécanismes complexe d'accélération des particules et de refroidissement. L'ensemble de ces contraintes observationnelles permet d'envisager la construction d'un modèle unifié de l'émission d'AGN détectés en rayons gamma. L'approche avancée dans ce manuscrit repose sur le scénario dit "choc - choc''. Ce dernier s'appuie sur l'idée que des interactions entre des chocs en mouvement et quasi stationnaires permettent d'expliquer une grande part des observations multilongueurs d'onde. Dans ce manuscrit, nous proposons donc un modèle cohérent permettant de combiner l'utilisation de simulations magnétohydrodynamiques en relativité restreinte pour modéliser différents types de jets relativistes (code MPI-AMRVAC) avec un traitement du transfert radiatif (code RIPTIDE). Le code RIPTIDE a été développé pendant la thèse et permet d'interpréter les résultats de MPI-AMRVAC en simulant le rayonnement synchrotron (et Synchrotron Self-Compton (SSC)) provenant d'une population d'électrons non thermiques relativistes. L'obtention de cartes de flux, mais aussi de courbes de lumières, permet de comparer nos résultats à de véritables observations. La nature relativiste du jet impose la prise en compte de nombreux effets relativistes comme le Doppler beaming et le light crossing effect (LCE) qui sont totalement pris en compte dans RIPTIDE.Ce modèle a pour but de reproduire le rayonnement multilongueurs d'onde observée dans certains types d'AGN via le scénario choc - choc. Pour ce faire, différents types de jets ont pu être testés. Certains présentant une structuration transverse et d'autres présentant une structure de champ magnétique à large échelle. Nous révélons que la présence de telles structures influence fortement les caractéristiques des chocs stationnaires présents dans le jet. Le jet est sujet à une perturbation qui permet l'émergence d'une onde de choc mobile qui va interagir et déstabiliser les chocs stationnaires. Selon l'intensité de cette interaction, nous pourrons observer l'oscillation des chocs stationnaires perturbés voir leur dérive à l'arrière du choc mobile. Nous formalisons dans ce manuscrit l'émergence et la propagation de tels chocs nommés ici chocs de relaxation. L'ensemble de ces composantes dispose de leurs propres signatures en rayonnements. Les chocs en mouvements génèrent de multiples éruptions multilongueurs d'onde lors des interactions choc - choc et les chocs de relaxations montrent des marqueurs observationnels plus complexes. Nos résultats ont pu être comparés avec de véritables observations provenant de diverses sources. Ces comparaisons qualitatives montrent des résultats encourageants et prometteurs laissant penser que le scénario choc - choc est susceptible d'expliquer une partie des observations. L'ajout récent du processus SSC et futur de la polarisation synchrotron laisse entrevoir de futures comparaisons pouvant permettre la modélisation unifiée des AGN détectés en rayons gamma

Modelling flux variability from internal shocks in relativistic jets

International audienceParticle acceleration at stationary and moving internal shocks is one of the principal mechanisms to explain the variable emission, seen from the radio to the $\gamma$-ray band, from relativistic jets in radio-loud active galactic nuclei. To reproduce the synchrotron light curves associated with these shocks, we perform SRMHD simulations of magnetised relativistic transverse-structured jets using the AMRVAC code. Perturbations are injected at the base of a steady jet that carries stationary shocks to study the interaction between the moving and the stationary shocks. Synchrotron emission and radiative transfer are simulated in post-treatment. In a first application, the radio core of the radio-galaxy M87 is modelled to study the flux evolution from such perturbations in the radio band and compare them against archival data

Flux variability from ejectas in structured relativistic jets with large-scale magnetic fields

Using the relativistic MHD code MPI-AMRVAC and a radiative transfer code in post-processing, we explore the influence of the magnetic-field configuration and transverse stratification of an over-pressured jet on its morphology, on the moving shock dynamics, and on the emitted radio light curve. First, we investigate different large-scale magnetic fields with their effects on the standing shocks and on the stratified jet morphology. Secondly, we study the interaction of a moving shock wave with the standing shocks. We calculate the synthetic synchrotron maps and radio light curves and analyse the variability at two frequencies 1 and 15.3 GHz and for several observation angles. Finally, we compare the characteristics of our simulated light curves with radio flares observed from the blazar 3C 273 with OVRO and VLBA in the MOJAVE survey between 2008 and 2019. We find that, in a structured, over-pressured relativistic jet, the presence of the large-scale magnetic field structure changes the properties of the standing shock waves and leads to an opening of the jet. When crossing such standing shocks, moving shock waves accompanying overdensities injected in the base of the jet are causing very luminous radio flares. The observation of the temporal structure of these flares under different viewing angles probes the jet at different optical depths. At 1 GHz and for small angles, the self-absorption caused by the moving shock wave becomes more important and leads to a drop in the observed flux after it interacts with the brightest standing knot. A weak asymmetry is seen in the shape of the simulated flares, resulting from the remnant emission of the shocked standing shocks. The characteristics of the simulated flares and the correlation of peaks in the light curve with the crossing of moving and standing shocks favor this scenario as an explanation of the observed radio flares of 3C 273