Spectral evolution of the high energy emission from TeV BL Lac Objects

Blazars are a most enigmatic class of active galactic nuclei (AGNs). In the unification scenario of active galactic nuclei (AGNs) Blazars fit in as radio-loud sources with a relativistic jet that points toward us. They are divided in two main classes: the first, less luminous, constitute by the BL Lac objects, with featurelss optical spectra, and the other one composed by the Flat Spectrum Radio Quasars (FSRQs) in which, tipically, there are prominent spectral lines. Blazar emissions extends from radio to TeV energies and their spectral energy distribution (SED) is double bump: the first component tipically peaks from IR to X-ray band, and the second one in the gamma-rays up to TeV energies. Usually, BL Lac SEDs are described in terms of Synchrotron Self-Compton models in which synchrotron photons, emitted by a population of electrons accelerated in the relativistic jets, produce the second component via inverse Compton (IC) scattering by the same electrons. A possible classification criterium for BL Lacs is in terms of the SED peak energy position of the first component: high-frequency peaked BL Lacs (HBLs) comprise sources in which the synchrotron peak is between the UV band and X-rays; low-frequency peaked BL Lacs (LBLs), when the first bump appears in the IR-optical range. FSRQ SEDs tipically require other spectral components to be described, as for example soft seed photons produced in external regions to their jets; so, these emission models are generally named: External Compton radiation. The aim of this thesis is to investigate the high energy emission (from X-rays to TeV frequencies) of all BL Lacs detected at TeV energies, up to now. I am mainly interested in how the synchrotron emission and inverse Compton radiation work in BL Lac jets. My goal is to interpret the spectral evolution of their SEDs in the considered energy ranges. To reach my aim I have reduced and analysed the X-ray spectra of eleven years of archival and new BL Lac observations performed with BeppoSAX, XMM-Newton and Swift. I have developed several numerical codes to reproduce the SEDs of these sources. In detail, I have developed a Synchrotron Self Compton (SSC) code able to reproduce the first and the second order inverse Compton emission, and the External Compton (EC) code that evaluates the inverse Compton scattering between the electron jet population and external radiation field from the accretion disk. Several electrons distribution have been used, in particular, those produced by statistical/stochastical acceleration processes (Fokker-Planck equation), leading to log-parabolic electron distributions. Each code has also a statistical section to determine spectral parameters of the BL Lac SEDs. Besides this numerical codes some analytical calculations have been developed to take into account of the so called Compton Catastrophe in the inverse Compton emission. Some correlations and trends between spectral parameters were found in X-ray observations of the sample of TeV BL Lacs, and they have been interpreted in terms of synchrotron emission and statistical/stochastical acceleration. A detailed statistical analysis was performed for Mrk 421, whose behavior, in the plane of spectral parameters, appears not to reflect beaming variations, as required by “internal shock” models of BL Lac jets. An extensive search of the similar trends was performed on eleven years of X-ray observations with BeppoSAX, XMM-Newton and Swift. I discovered similar trends in HBLs detected at TeV energies at least four sources. Numerical simulations provide a good description of the SEDs of HBLs in my sample. These calculations provide constraints on input parameters for the numerical simulations on HBLs. The constraints derived have been used to describe a sample of HBLs candidate as TeV emitters. Finally, I have also simulated the SED of BL Lacertae, the first LBL observed at TeV energies, discussing among SSC codes and EC simulations. The work developed in this thesis is quasi entirely dedicated to the study of SSC models to describe HBL SEDs, with the only exception of BL Lacertae. A similar analysis could be applied to other LBL objects when the new simultaneous observations of both the synchrotron and the inverse Compton will be avaiable. These will occur in the next year when the new satellites AGILE, GLAST and Planck will provide a large number of data on rich LBL samples. The first period of activity of AGILE in which some LBLs and FSRQs have already been detected confirmed the relevance of these γ-ray observations for the understanding of the BLazars phenomenon.

I Blazar sono una delle più enigmatiche classi tra i Nuclei Galattici Attivi (AGN). Secondo lo schema unificato degli AGN queste sorgenti sono interpretate come radio-sorgenti con un getto relativistico che è allineato lungo la linea di vista. I Blazar si dividono principalmente in due classi: la prima, costituita dagli oggetti di tipo BL Lac, con spettri in banda visibile privi di righe, e la seconda composta dai quasar con spettro radio piatto (FSRQ) che invece presentano righe di emissione. L’emissione dei Blazar si estende dalla banda radio fino alla banda dei raggi gamma di più alta energia (TeV) e la loro distribuzione spettrale di energia (SED) presenta due picchi: il primo posizionato tipicamente tra la bnada infrarossa e quella dei raggi X, ed il secondo dai raggi γ di basse energie fino alla banda del TeV. Questa distribuzione spettrale è solitamente interpretata in termini di modelli di emissione Synchrotron Self-Compton, secondo cui i fotoni di sincrotrone, corrispondenti alla prima componente, sono emessi da una popolazione di elettroni accelerata nei getti relativistici, e producono la seconda componente attraverso effetto Compton inverso con gli stessi elettroni. Un possibile criterio per classificare gli oggetti di tipo BL Lac è utilizzando la posizione del prima componente della SED e si indicano come HBL le sorgenti che presentano il picco della prima componente nella banda dal UV ai raggi X mrentre LBL quelle in cui questo cade tra l’infrarosso e la banda visibile. Per quanto concerne i FSRQ le loro SED possono essere anche descritte da modelli External Compton, in cui la seconda componente è prodotta per effetto Compton inverso degli elettroni relativistici con fotoni di radiazione esterni al getto. L’obiettivo della Tesi è quello di studiare l’emissione di alta energia (dalla banda dei raggi X fino al TeV) di tutte gli oggetti di tipo BL Lac osservati al TeV fino ad oggi. Mi sono interessato principalmente di investigare i meccanismi di accelerazione ed i processi di emissione nei getti relativistici dei BL Lacs. In particolare, in questo lavoro mi sono occupato dell’evoluzione spettrale delle loro SED nelle bande di energia considerate. A tal fine ho ridotto ed analizzato gli spettri X di 11 anni di osservazioni di BL Lac negli archivi di BeppoSAX, XMM-Newton e Swift. Ho sviluppato alcuni codici numerici per riprodurre le SED dei Blazar. In particolare, ho costruito un codice SSC in grado di calcolare l’emissione per effetto Compton inverso anche al secondo ordine, ed un codice che riproducesse il meccanismo di External Compton dove i fotoni seme sono prodotti da un disco di accrescimento. Tutti i codici sono inoltre in grado di lavorare con diverse distribuzioni in energia degli elettroni. Tra queste distribuzioni la più utilizzata è quella che proviene da meccanismi di accelerazione di tipo statistico/stocastico ed ha una forma log-parabolica. Ogni codice ha inoltre una parte di statistica che permette di determinare i parametri delle SED. Oltre ai codici numerici ho anche sviluppato alcuni calcoli analitici utili per tenere conto del fenomeno della Catastrofe Compton nell’emissione per effetto Compton inverso. Sono state individuate per i BL Lac osservati al TeV alcune correlazioni e trend tra i parametri spettrali dell’emissione X, interpretate in termini di emissione di sincrotrone e meccanismi di accelerazione statistici e stocastici. Un’analisi dettagliata è stata fatta nel caso della Mrk 421, il cui comportamento nel paino dei parametri spettrali non sembra essere dominato da variazioni del fattore Doppler come richiesto dai modelli di “internal shock” per i getti dei BL Lac. E' stata fatta anche una ricerca di questi trend in tutti negli spettri X degli altri HBL osservati al TeV ed almeno in quattro di loro sono stati confermati comportamenti nello spazio dei parametri analoghi al caso della Mrk 421 . Alcune SED degli HBL osservati al TeV sono state confrontate con i calcoli numerici del codice SSC per derivare i parametri fisici di questa classe di sorgenti. Questi parametri sono stati poi utilizzati per descivere le SED di un insieme di HBL per verificarne la possibilità di osservarli al TeV. Infine, i calcoli numerici sono stati anche applicati con successo per descrivere la SED di BL Lacertare, il primo LBL osservato al TeV. Il lavoro sviluppato in questa tesi è quasi interamente dedicato allo studio dei modelli SSC per descrivere le SED degli HBL, con l’ eccezione di BL Lacertae. Una simile analisi potrebbe essere applicata agli oggetti di tipo LBL quando le nuove osservazioni simultanee di entrambe le componenti, sincrotrone ed Compton inverso, saranno disponibili. Questo avverrà dal prossimo anno quando i nuovi satelliti AGILE, GLAS T e Planck forniranno un grande archivio di dati riguardanti l’emissione degli LBL. Il primo periodo di attività di AGILE, durante il quale alcuni LBL ed alcuni FSRQ sono già stati osservati conferma l’importanza di queste osservazioni nei raggi γ per la comprensione dei Blazars.