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Formation of Relativistic Jets : Magnetohydrodynamics and Synchrotron Radiation

Porth, Oliver Joachim Georg

German Title: Entstehung Relativistischer Jets : Magnetohydrodynamik und Synchrotronstrahlung

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Abstract

In this thesis, the formation of relativistic jets is investigated by means of special relativistic magnetohydrodynamic simulations and synchrotron radiative transfer. Our results show that the magnetohydrodynamic jet self-collimation paradigm can also be applied to the relativistic case. In the first part, jets launched from rotating hot accretion disk coronae are explored, leading to well collimated, but only mildly relativistic flows. Beyond the light-cylinder, the electric charge separation force balances the classical trans-field Lorentz force almost entirely, resulting in a decreased efficiency of acceleration and collimation in comparison to non-relativistic disk winds. In the second part, we examine Poynting dominated flows of various electric current distributions. By following the outflow for over 3000 Schwarzschild radii, highly relativistic jets of Lorentz factor 8 and half-opening angles below 1 degree are obtained, providing dynamical models for the parsec scale jets of active galactic nuclei. Applying the magnetohydrodynamic structure of the quasi-stationary simulation models, we solve the relativistically beamed synchrotron radiation transport. This yields synthetic radiation maps and polarization patterns that can be used to confront high resolution radio and (sub-) mm observations of nearby active galactic nuclei. Relativistic motion together with the helical magnetic fields of the jet formation site imprint a clear signature on the observed polarization and Faraday rotation. In particular, asymmetries in the polarization direction across the jet can disclose the handedness of the magnetic helix and thus the spin direction of the central engine. Finally, we show first results from fully three-dimensional, high resolution adaptive mesh refinement simulations of jet formation from a rotating magnetosphere and examine the jet stability. Relativistic field-line rotation leads to an electric charge separation force that opposes the magnetic Lorentz force, such that we obtain an increased stability of relativistic flows. Accordingly, the non-axisymmetric modes applied to the field-line foot-points saturate quickly, with no signs of enhanced dissipation or disruption near the jet launching site.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit werden speziell-relativistische magnetohydrodynamische Simulationen in Verbindung mit Synchrotron-Strahlungstransport benutzt, um die Entstehung relativistischer, kollimierter Plasmaströmungen (Jets) zu untersuchen. Unsere Ergebnisse belegen das Paradigma der magnetischen Selbstkollimation auch im relativistischen Fall. Im ersten Teil der Arbeit untersuchen wir Plasmaströmungen ausgehend von heißen, rotierenden Akkretionsscheibenkoronen. Wir erhalten quasi-stationäre, gut kollimierte aber nur schwach relativistische Jets. Im Vergleich zu nicht-relativistischen Scheibenwinden führt die relativistische Feldlinienrotation zu einer reduzierten Effizienz der Beschleunigung und Kollimation. Im zweiten Teil untersuchen wir elektromagnetisch dominierte Strömungen mit unterschiedlichen elektrischen Stromverteilungen. Indem wir der Strömung über 3000 Schwarzschildradien weit folgen, erhalten wir hoch-relativistische Jets, mit Lorentzfaktoren über 8 und halb-Öffnungswinkeln unter 1 Grad, die als dynamische Modelle für Jets von aktiven Galaxienkernen auf Parsec-Skalen dienen. Wir verwenden die magnetohydrodynamische Jet-Struktur der quasi-stationären Simulationsmodelle, um den relativistischen Synchrotron-Strahlungstransport zu berechnen. Im Ergebnis erhalten wir synthetische Strahlungskarten und Polarisationsmuster, die mit hochaufgelösten Radio- und (Sub-)mm-Beobachtungen naher aktiver Galaxienkerne verglichen werden können. Die relativistische Geschwindigkeit und die helikalen Magnetfelder des Jet-Entstehungsgebiets prägen die beobachtete Polarisation und Faraday-Drehung. Insbesondere verraten Asymmetrien der Polarisationsrichtung die Händigkeit der magnetischen Helix und dadurch den Drehsinn des zentralen Körpers. Schließlich zeigen wir erste Ergebnisse von dreidimensionalen, hochaufgelösten Simulationen der Jet-Entstehung; dabei wird adaptive Gitterverfeinerung angewendet. Die elektrische Ladungstrennungskraft, die durch relativistische Feldlinienrotation induziert wird, wirkt der magnetischen Lorentzkraft entgegen, so dass wir eine erhoöhte Stabilität relativistischer Strömungen erhalten. Entsprechend saturieren nichtaxialsymmetrische Störungen der Feldlinienfußpunkte schnell entlang des Jets und keine Anzeichen von erhöhter Dissipation oder Unterbrechung der Strömung nahe der Ausstoßstelle sind beobachtet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fendt, Dr. Priv. Christian
Date of thesis defense: 9 November 2011
Date Deposited: 29 Nov 2011 07:33
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Relativistische Astrophysik, Synchrotron, Magnetohydrodynamik, VLBI, Galaxie, Akkretion, Polarisierte Strahlung, Elektromagnetische Strahlung
Uncontrolled Keywords: Relativistische Magnetohydrodynamik , Aktive Galaxien , Akkretionsscheibe , Nicht-Thermische StrahlungRelativistic Astrophysics , Synchrotron Radiation , Accretion Disk , Polarized Emission
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