Magnetic field of relativistic jets in active galactic nuclei

Resumen

Este trabajo de tesis se centra en el estudio de los jets relativistas presentes en los núcleos activos de galaxias. El mecanismo físico de formación, aceleración y colimación de jets continua siendo hoy en día una cuestión abierta, y aunque se desconoce en gran medida cuál es el papel que juega el campo magnético en ellos, las últimas teorías favorecen la idea de que un campo magnético helicoidal puede desempeñar un papel fundamental. El objetivo de esta tesis es profundizar en el entendimiento de los procesos magnetohidrodinámicos y de emisión que tienen lugar en los jets y, en particular, estudiar la influencia que el campo magnético tiene en los mismos. Para llevar a cabo esta investigación se ha seguido un esquema de trabajo que involucra a partes iguales observaciones y modelos teórico-numéricos. La parte teórico-numérica consiste en la realización de simulaciones de jets relativistas con campos magnéticos helicoidales. Estas simulaciones nos han permitido explorar la influencia del campo magnético en la dinámica del jet, analizando las principales fuerzas que determinan la evolución del jet y estudiando su emisión por radiación sincrotrón. En esta tesis se presentan simulaciones de jets sobrepresionados con respecto al medio ambiente con distintas estructuras e intensidades del campo magnético. Los resultados obtenidos muestran que la componente toroidal del campo magnético es la responsable de la colimación y confinamiento del plasma. Jets más magnetizados son menos eficientes en disipar energía en sus choques y muestran una mayor estabilidad frente a movimientos transversales del fluido, dando lugar a jets con choques de recolimación más débiles y menos espaciados entre ellos. El cálculo de la emisión sincrotrón de estos modelos muestra que la estructura helicoidal del campo magnético puede dar lugar a una asimetría en la emisión a través del jet, en función del ángulo que forman la línea de visión y el ángulo de paso de la hélice del campo magnético. Además encontramos que la emisión relativa correspondiente a los choques de recolimación decrece conforme la magnetización del jet aumenta, lo cual sugiere que las fuentes reales que presentan componentes estacionarias puedan tener una magnetización relativamente baja, con campos magnéticos en equipartición o menores. El estudio observacional se centra en la detección de campos magnéticos helicoidales en jets. En esta tesis se presentan resultados de los dos métodos que en la actualidad se están utilizando para intentar extraer información observacional de los campos magnéticos en jets. El primero de ellos permite estudiar las zonas más internas de los jets, donde tienen lugar los procesos de aceleración y colimación, y está basado en observaciones multifrecuencia de variabilidad en flujo total y polarizado a lo largo de todo el espectro electromagnético El segundo método permite observar zonas del jet más allá de la zona de aceleración y colimación y se basa en estudios de polarimetría con interferometría de muy larga base (VLBI) a través de determinaciones de la rotación de Faraday. En esta tesis se presenta un estudio multiépoca a todas las frecuencias disponibles con el VLBA del jet de la radiogalaxia 3C 120. La combinación de las distintas épocas de observación ha proporcionado información muy relevante acerca de la fuente de rotación de Faraday en el jet de 3C 120. Los resultados del estudio indican que si bien la estructura y el gradiente longitudinal de la medida de rotación en el jet son consistentes con la idea de que la fuente de rotación de Faraday sea una envoltura de electrones térmicos que rodea al jet, existen evidencias de que este modelo no es suficiente para explicar todas las propiedades observadas en el jet de 3C 120. El trabajo concluye que una gran parte de la rotación de Faraday que tiene lugar en 3C 120 tiene su origen en nubes externas al jet, probablemente interaccionando con el mismo. Por último se presenta los resultados del descubrimento fortuito a las frecuencias más altas de una región de emisión (denominada componente C80) localizada a una distancia de unos 80 mas desde el núcleo. La excepcionalidad de esta componente es que presenta una temperatura de brillo inusualmente alta -unas 600 veces mayor que la esperada a esa distancia-, razón por la cual es visible incluso a las frecuencias más altas. Además, se observó que se mantiene estacionaria en su posición durante más de dos años de observación. En esta tesis se exploran los distintos procesos en el jet que podrían explicar las propiedades observacionales de C80. El resultado de nuestro estudio apunta a que un modelo de jet helicoidal con una onda de choque móvil resulta insuficiente ya que no da una interpretación a todas las propiedades observacionales. El trabajo concluye que muy probablemente está teniendo lugar de manera local algún otro proceso intrínseco en el jet que provoca una energetización, o bien de las partículas o del campo magnético, capaz de dar lugar a la temperatura de brillo observada, la repentina apariencia y la estacionariedad de C80. Como se puede ver en esta tesis, la sinergia entre simulaciones y observaciones nos ha permitido avanzar en el conocimiento del campo magnético en los jets, indicando que muy probablemente un campo magnético helicoidal desempeña un papel fundamental en la formación y en la estructura observada en radio de los jets.