Flares in Blazars

Blazarsareactivegalacticnucleicharacterizedbystrong,nearlypurenon-thermalradiations;these extend across the electromagnetic spectrum, from radio frequencies to the most energetics γ rays observed, in some cases up to TeV energies. They represent an ideal benchmark to test several fields of high energy astrophysics, like particle acceleration and emission processes. To this aim, a multi-λ approach is essential to disentangle the various processes taking place in these objects. EvenmoreenticingtounderstandBlazarsphysicsistheirvariability,andinparticulartheir“flares”; they are apparently random, substantial flux increases, taking place on timescales of days or less, in some cases down to hours. Flares may occur in different energy bands, and in this work I will in particularstudyhowfluxvariationsatdifferentwavelengthcanbeinterpretedintermsoftheunderlying physical processes taking places in different type of Blazars. Blazars are in fact divided in two major classes: BL Lacs and FSRQs. Both are widely held to radiate from a narrow relativistic jets closely aligned with observer’s line of sight, and originating from a central engine constituted by a supermassive black hole coupled with a surrounding accretion disk. On the other hand, the differences between Blazars spectra point toward different environments surrounding the central black hole. In fact, BL Lacs show no or just weak and intermittent emission lines, and yield no observational evidence of thermal emission from the accretion disk; these features can be interpreted in terms of scarce surrounding gas and small ongoing accretion. BL Lacs spectra are effectively interpreted in terms of pure synchrotron-self Compton (SSC) radiation, that is, synchrotron emission (in the bands from infrared to soft X-rays) from highly relativistic electrons inside the jet, and inverse Compton upscattering (radiating in the MeV - TeV energy range) by the same electrons on seed photons of the very synchrotron radiation. FSRQs, on the other hand, with their broad emission lines and strong Big Blue Bump (BBB) yield evidence of plenty surrounding gas, associated to high current accretion rates onto the disk. Both emissionlinesandBBBprovideseedphotonsthatcanbeComptonscatteredbytheelectronsinsidethe jets (the so called external Compton scenario), yielding the high γ-ray outputs often dominating their spectra. Making use of refined and updated SSC models involving both analytical relations and numerical simulations I have performed detailed studies of flaring episodes of a number of BL Lacs, pushing the homogeneous single-zone SSC model to its limits to test whether it can explain observed multi wavelength variabilities, or more complex, structured sources are required. Moreover, I investigated two saturation effects that can limit flux increase and so affect flaring behavior, either due to the particle acceleration processes or to the total available power. The latter, in particular, relates to the limited available power extractable from the central rotating hole via the Blandford-Znajekelectrodynamicalmechanism,involvingtheinterplaybetweentheaccretiondiskand the hole, governed by strong gravity effects of General Relativity; this mechanism is relevant for BL Lacswithverysmallcurrentaccretionrates. FSRQs,ontheotherhand,showevidencesofhighongoing accretion and so easily overcome this limit. My results show that the different physical properties of Blazars reflect into different flaring behaviors. While in BL Lacs the main driver of flaring episodes is provided by particle acceleration processes taking place inside the jets to energies γ ' 106, in FSRQs we understand flares in terms of increased accretion ratesprovidingmoreand harder external photons to beinverseComptonscattered. Inaddition,thesaturationeffectstakingplaceinBLLacsreinforcethesedifferences,yieldingdivergent flaring patterns for the two subclasses on the luminosity vs. electron energy plane. Finally, to investigate the acceleration processes taking place in BL Lacs jets, I performed an extensive X-ray analysis of high-frequency peaked sources not (yet) detected at TeV energies, in order to comparethesewiththosedetectedatsuchenergies,tooutlineasimpleelectrostaticaccelerationmodel to interpret their peak frequencies distribution and to single out some good TeV candidates.

I Blazar sono nuclei galattici attivi caratterizzati da radiazioni intense e principalmente non termiche; esse si estendono per tutto lo spettro elettromagnetico, dalle frequenze radio fino ai raggi gamma più energetici, ed in alcuni casi fino alle energie del TeV. I Blazar rappresentano un laboratorio ideale per testare diversi campi dell'astrofisica delle alte energie, come i processi di accelerazione ed emissione. A tale scopo risulta essenziale un approccio multifrequenza, per comprendere i vari processi che hanno luogo in questo tipo di sorgenti. Ancor più interessante per la comprensione della fisica dei Blazar è la loro variabilità, ed in particolare i loro “flare”, incrementi di flusso apparentemente casuali che avvengono su tempi scala del giorno ed in alcuni casi delle ore. I flare si possono verificare in diverse bande energetiche, ed in questo lavoro mi occuperò in particolare di come le variazioni di flusso a diverse lunghezze d'onda possano interpretate in termini dei sottostanti processi fisici che hanno luogo nei diversi tipi di Blazar. I Blazar si dividono infatti in due classi principali: i BL Lac ed i FSRQ. Vi è ampio accordo sul fatto che la radiazione proveniente da entrambe queste classi sia emessa in getti relativistici allineati con la linea di vista dell'osservatore, generati dal “motore” centrale di questi oggetti astronomici, costituito da un buco nero supermassivo accoppiato con un circostante disco di accrescimento. D'altra parte le differenze spettrali fra i Blazar sembrano riflettere ambienti differenti nei dintorni del buco nero centrale. Infatti I BL Lac mostrano deboli e intermittenti linee di emissione (o non ne mostrano affatto), ne' mostrano evidenza di emissione termica dal disco di accrescimento; queste caratteristiche possono essere interpretate in termini di scarsa presenza di gas circostante il buco nero e bassi tassi di accrescimento in corso. Gli spettri dei BL Lac sono efficacemente interpretati puramente in termini di radiazione di synchrotron-self Compton (SSC), e cioè emissione di sincrotrone (nelle bande che vanno dell'infrarosso fino ai raggi X meno energetici) da parte di elettroni altamente relativistici presenti all'interno del getto, a cui si somma lo scattering Compton inverso (che irraggia nelle bande energetiche che vanno dal MeV al TeV) da parte della medesima popolazione di elettroni su fotoni seme costituiti dalla stessa radiazione di sincrotrone. I FSRQ invece, con le loro larghe righe di emissione e l'intenso Big Blue Bump (BBB) forniscono evidenza di abbondante gas nei dintorni del buco nero, associato a lati tassi di accrescimento. Sia le linee di emissione che il BBB forniscono fotoni seme per lo scattering Compton inverso con gli elettroni presenti all'interno del getto (nel cosiddetto scenario di Compton esterno), che porta agli alti flussi gamma che spesso dominano tali spettri. Facendo uso di un modello di SSC raffinato ed aggiornato, che coinvolge sia relazioni analitiche che simulazioni numeriche, ho effettuato uno studio dettagliato degli episodi di flare di alcuni BL Lac, cercando di spingere il modello SSC omogeneo a zona singola fino ai suoi limiti per verificare se esso possa spiegare le variazioni multifrequenza osservate, o se sia necessario ricorrere a sorgenti più complesse e strutturate. Ho inoltre investigato due effetti di saturazione che possano limitare gli incrementi di flusso e perciò influenzare l'attività di flare, siano essi dovuti a processi di accelerazione o alla potenza totale disponibile per la sorgente. Quest'ultimo effetto, in particolare, può essere messo in relazione al limite alla potenza disponibile che possa essere estratta dal buco nero centrale in rotazione attraverso il meccanismo elettrodinamico di Blandford-Znajek, che coinvolge l'interazione fra il disco di accrescimento e il buco nero, ed è governato dagli effetti della relatività generale; questo meccanismo è rilevante per i BL Lac con bassi tassi di accrescimento. I FSRQ al contrario mostrano evidenze di alti tassi d'accrescimento in corso, e possono perciò superare abbondantemente questo limite. I risultati del mio studio mostrano che le differenti caratteristiche fisiche dei Blazar si riflettono nel comportamento dei loro flare. Mentre nei BL Lac la causa principale degli episodi di flare è dovuta ai processi di accelerazione che avvengono all'interno dei getti, fino ad energie dell'ordine di γ ; 106, nei FSRQ è possibile interpretare i flare in termini di incrementi nel tasso di accrescimento che fornisce fotoni esterni al getto più numerosi e maggiormente energetici per lo scattering Compton inverso. In aggiunta, gli effetti di saturazione che si verificano nei BL Lac accentuano queste differenze, dando luogo a tracciati di flare divergenti per le due classi di Blazar nel piano luminosità vs. energia degli elettroni. Infine, per investigare i processi di accelerazione che avvengono nei getti dei BL Lac, ho effettuato un estensiva analisi nei raggi X di sorgenti con picchi ad alta frequenza che non sono ancora state rilevate alle energie del TeV, al fine di compararle con le altre che siano già state rilevate a tali energie per delineare un semplice modello di accelerazione elettrostatica che possa rendere conto della distribuzione delle frequenze di picco osservate e permetta di individuare alcuni candidati per la rilevazione al TeV.