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Nonlinear Time Series Analysis of BL Lac Light Curves

Emmanoulopoulos, Dimitrios

German Title: Nichtlineare Zeitreihenanalysen von BL Lac-Lichtkurven

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Abstract

In this work the time properties of the BL Lac objects are elaborated in a detailed manner through linear and nonlinear time series analysis methods. In spite of the large amount of available data in the last 20 years, the variability studies have not provided major progress for understanding the behavior of these objects. Vague time series analysis methods, lacking any mathematical foundation, are usually invoked revealing erroneous time properties in the data sets which then act misleadingly for modeling the dynamics of the system under study. The flaws of some of the current time series analysis methods are reviewed thoroughly throughout this work for specific sources (Mrk 421, Mrk 501) and the need of employing higher order time series analysis methods is demonstrated. An extensive description of the modern nonlinear analysis methods is presented together with examples being implemented in a way to be applicable to astronomical time series. Then, these methods are applied to the X-ray data set of Mrk 421, obtained by RXTE, covering a time period of 9 years, giving some hints to answer the question: Is it possible to explain the variability behavior of these sources based on few physical parameters (deterministic system), or is it the result of numerous components yielding from a stochastic system? Finally the results from the longest multiwavelength campaign, conducted during August--September 2004, for the BL Lac object PKS 2155-304 are presented. The source was observed in the very high energy gamma-rays (>100 GeV) by H.E.S.S., in the X-rays (2-10 keV) by RXTE and in the optical (R-band) by three terrestrial observatories.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe der Methoden linearer und nichtlinearer Zeitreihenanalysen die zeitlichen Eigenschaften von BL Lac-Objekten in ausführlicher Art und Weise untersucht. Trotz in großer Menge gesammelter Daten haben die Variabilitätsuntersuchungen der letzten zwanzig Jahre keine wesentlichen Ansatzpunkte für das Verständnis der Verhaltensweise dieser Objekte geliefert. Üblicherweise wird sich auf unklare Zeitreihenanalysemethoden ohne jegliche mathematische Grundlage berufen, welche zu fehlerhaften Einschätzungen der Zeiteigenschaften und schließlich zu Missinterpretationen in der Modellierung der betrachteten Systemdynamik führen. Anhand der bekannten Quellen Mrk 421 und Mrk 501 sollen zunächst die Mängel einiger aktueller Zeitreihenanalysemethoden aufgezeigt und die Notwendigkeit des Einsatzes der Zeitreihenanalyse höherer Ordnung demonstriert werden. Präsentiert wird dann eine eingehende Betrachtung moderner nichtlinearer Analysemethoden zusammen mit Beispielen, die es erlauben, auch für astronomische Zeitreihen Anwendung zu finden. Anschließ end werden diese Methoden auf den Datensatz aus der durch RXTE über einen Zeitraum von neun Jahren gewonnenen Röntgenlichtuntersuchung der Quelle Mrk 421, angewendet. Dies soll die Beantwortung der folgenden Fragen ermöglichen: Ist eine Erklärung des Variabilitätsverhaltens dieser Quellen auf der Basis weniger physikalischer Parameter (deterministisches System) möglich oder ist dieses das Ergebnis zahlreicher Komponenten eines stochastischen Systems? Schließlich werden die Ergebnisse der längsten Multiwellenlängen-Kampagne für BL Lac-Objekte, durchgeführt zwischen August und September 2004, vorgestellt. Die Quelle wurde hierbei sowohl von H.E.S.S. mit hochenergetischen Gammastrahlen (>100 GeV), als auch durch Röntgenstrahlen (2-10 keV) von RXTE und dem optischen R-Band dreier erdgebundener Observatorien beobachtet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Stefan (prof.), Wagner
Date of thesis defense: 25. July 2007
Date Deposited: 31. Jul 2007 08:52
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Landessternwarte
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Aktiver galaktischer Kern, BL-Lacertae-Objekt, Markarian 421
Uncontrolled Keywords: nichtlinearer Zeitreihenanalysen , Variabilität , Markarian 501 , PKS 2155-304Active Galactic Nuclei , BL Lac object , Markarian 421 , Markarian 501 , nonlinear time series analysis , RXTE , H.E.S.S.
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