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Very Light Extragalactic Jets with Magnetic Fields

Gaibler, Volker

German Title: Sehr leichte extragalaktische Jets mit Magnetfeldern

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Abstract

We explore the global structure and evolution of powerful radio sources located in clusters of galaxies and their interaction with the ambient gas, in particular with respect to the effects of magnetic fields. Recent observations of inverse-Compton emission from their cocoons at X-ray energies indicate that magnetic fields are present on a considerable (near-equipartition) level. To investigate the impact of magnetic fields on dynamics and morphology, we performed a series of magnetohydrodynamical simulations of bipolar jets, considering a wide range of density contrasts between the jet and the ambient gas and employing a globally consistent setup of the magnetic field and the jet-environment interaction. We find that already sub-equipartition fields (beta ~ 10) stabilize the contact surface between the jet plasma and the ambient gas, resulting in pronounced jet heads and considerably suppressed entrainment. We identify a new shearing mechanism in the jet head, which efficiently amplifies magnetic fields and transfers part of the huge kinetic jet power to magnetic energy. We compare the propagation and shapes of the bow shocks and cocoons with self-similar models, finding deviations for the cocoon width evolution for sources approaching pressure balance with the environment. The simulations exhibit round and weak bow shocks for low jet densities, consistent with X-ray observations in galaxy clusters. Turbulent motion in the cocoon produces waves and ripples in the shocked ambient gas, and hereby provides a physical explanation for those recently found in Perseus A. We compute emission maps for synchrotron, inverse-Compton and bremsstrahlung emission for our simulation data, yielding overall agreement with observed sources within the assumed simplifications. Furthermore, two models for the emission-line nebulae in high-redshift radio galaxies are applied to the simulations, finding that none of them in their considered versions can explain all observed properties yet.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird die globale Struktur und Entwicklung von leistungsstarken Radioquellen in Galaxienhaufen sowie deren Wechselwirkung mit dem umgebenden Gas untersucht, insbesondere im Hinblick auf die Auswirkungen von Magnetfeldern. Neue Beobachtungen der Invers-Compton-Emission ihrer Cocoons im Röntgenbereich zeigen, daß dort Magnetfelder von erheblicher Stärke (nahe der Äquipartition) vorhanden sind. Um deren Auswirkungen auf die Dynamik und das Erscheinungsbild zu untersuchen, wurde eine Reihe von magnetohydrodynamischen Simulationen von bipolaren Jets über einen weiten Bereich von Dichtekontrasten durchgeführt, unter Verwendung eines insgesamt konsistenten Setups der Magnetfelder und der Wechselwirkung von Jet und Umgebungsgas. Es zeigt sich, daß bereits Magnetfelder unterhalb der Äquipartition (beta ~ 10) die Kontaktfläche zwischen Jetplasma und Umgebungsgas stabilisieren und ausgeprägte Jetköpfe mit deutlich unterdrücktem Entrainment zeigen. Ein Scherungsmechanismus im Jetkopf verstärkt Magnetfelder und wandelt einen Teil der gewaltigen kinetischen Jetleistung in magnetische Energie um. Die Ausbreitung und Form der Bugschocks und Cocoons werden mit selbstähnlichen Modellen verglichen, wobei sich zeigt, daß die zeitliche Entwicklung der Cocoonbreite für Quellen abweicht, die sich einem Druckgleichgewicht mit der Umgebung annähern. Die Simulationen zeigen für niedrige Jetdichten runde und schwache Bugschocks, wie sie auch in Röntgenbeobachtungen in Galaxienhaufen gefunden werden. Turbulenz im Cocoon erzeugt Wellen im geschockten Umgebungsgas und liefert damit eine physikalische Erklärung für die Beobachtung selbiger in Perseus A. Für die Simulationsdaten werden Synchrotron-, Invers-Compton- und Bremsstrahlungsemissionskarten berechnet, die innerhalb der verwendeten Näherungen mit Beobachtungen übereinstimmen. Des weiteren werden die Simulationen auf die Emissionsliniengas-Nebel in hochrotverschobenen Radiogalaxien angewendet, wobei allerdings keines der betrachteten zwei Modelle alle beobachteten Eigenschaften erklären kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Camenzind, Max
Date of thesis defense: 12 November 2008
Date Deposited: 05 Dec 2008 12:56
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Landessternwarte
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Astrophysik, Aktiver galaktischer Kern, Jet <Astronomie>, Extragalaktisches Magnetfeld, Magnetohydrodynamik, Computersimulation, Galaxienhaufen
Uncontrolled Keywords: Astrophysics , Active Galactic Nucleus , Jet , Magnetic Field , Magnetohydrodynamics
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