Aktive Galaxienkerne als hochenergetische Teilchenbeschleuniger

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Jahrbuch 2010/2011 | Fuhrmann, Lars; Zensus, Johann Anton; Angelakis, Emmanouil; Krichbaum, Thomas |
Aktive Galaxienkerne als hochenergetische Teilchenbeschleuniger: Erforschung der physikalischen Prozesse in
der Nähe von Schw arzen Löchern
Aktive Galaxienkerne als hochenergetische Teilchenbeschleuniger:
Erforschung der physikalischen Prozesse in der Nähe von
Schwarzen Löchern
Active Galactic Nuclei as high-energy particle accelerators: Probing
the physical processes in the vicinity of Black Holes
Fuhrmann, Lars; Zensus, Johann Anton; Angelakis, Emmanouil; Krichbaum, Thomas
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Aktive Galaxien und deren innerste Kernbereiche beherbergen extreme physikalische Phänomene. Mithilfe von
supermassiven Schw arzen Löchern erzeugen sie enorme Energiemengen und oft auch hoch-energetische
Gammastrahlen im MeV/GeV-Energiebereich. Viele der physikalischen Prozesse sind bisher im Detail nicht
verstanden, etw a die Erzeugung der hochrelativistischen Plasmajets oder die Herkunft der Gammastrahlung
sow ie deren Variabilität über das ganze elektromagnetische Spektrum. Neue Beobachtungsinstrumente und programme erlauben nun tiefere Einsichten in die extreme Physik dieser Objekte.
Summary
Active galaxies and their innermost core regions show extreme physical processes. In the vicinity of a
supermassive black hole they produce an enormous amount of energy output and often also high-energy
gamma-ray photons at MeV/GeV energies. Many of the physical processes are so far not understood in detail,
e.g. the production of their highly relativistic jets or the origin of the gamma-ray emission as w ell as the
observed variability across the w hole electromagnetic spectrum. New instruments and observing programs
allow now to obtain new insights into the extreme physics of these objects.
Physikalische Prozesse in den Kernen Aktiver Galaxien
Zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum zählen Galaxien, deren Zentralregionen besonders extreme
Aktivität und Leuchtkräfte aufw eisen. Ihre breitbandige Strahlung übertrifft bei w eitem die Leuchtkraft von
normalen Galaxien (bis zu einem Faktor ≈ 10 4 ) und w ird über das ganze elektromagnetische Spektrum
detektiert – vom nieder-energetischen
Radiobereich
bis
hin
zur hochenergetischen
Gammastrahlung
(GeV/TeV). Unter dem Begriff der aktiven galaktischen Kerne (Active Galactic Nuclei – kurz AGN) w erden solche
astrophysikalischen Erscheinungen w ie Quasare, Radiogalaxien, Seyfert-Galaxien und BL Lacertae-Objekte
zusammengefasst. Die gigantischen freigesetzten Energiemengen in diesen Objekten w erden durch die
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"zentrale Maschine" und der Konvertierung von Gravitationsenergie bereitgestellt. Diese Energiefreisetzung
w ird
durch
zw ei
Prozesse
dominiert:
Ein
vermutlich
super-massives
Schw arzes
Loch
(≈
10 6 -10 9
Sonnenmassen) im Zentrum sammelt Materie aus einer gravitativ enstandenen Gasscheibe auf, die schnell um
das Zentrum rotiert (Akkretionsscheibe). Durch Reibung heizt sich diese Scheibe auf, w obei Teile der Materie
an Drehimpuls verlieren und spiralförmig in Richtung Schw arzes Loch fallen. Schliesslich w ird ein Teil der
Materie mithilfe von Magnetfeldern w ieder senkrecht zur Scheibe in zw ei einander entgegengerichtete
Plasmajets ausgestoßen. Dabei w ird die Materie in den Plasmajets meist auf nahezu Lichtgeschw indigkeit
beschleunigt und bis zu einigen hunderttausend Lichtjahren w eit nach außen transportiert.
Welchen AGN-Typ man nun betrachtet hängt – neben anderen Parametern – vom Sichtw inkel des Beobachters
zur Achse des Jets ab. Bei den sogenannten Blazaren geht man von w enigen Grad von der Rotationsachse
aus – man sieht also nahezu direkt in den Jet. In diesem Fall von kleinen W inkeln zur Sichtlinie spielen
relativistische Effekte eine besondere Rolle und relativistische Dopplerverstärkung der AGN-Breitband-Emission
führt zu einer dramatisch erhöhten Leuchtkraft. Regelmäßige Strahlungsausbrüche durch in den Jet neu
injiziertes Material führt zu zeitlich stark variabler Emission nicht-thermischer Strahlung. Diese dominiert in
Kombination mit der thermischen Strahlung des Akkretionsprozesses (optisch bis Röntgenbereich) die
komplette spektrale Energieverteilung von radio-lauten AGN.
Die beobachtete spektrale Energieverteilung eines AGN kann mithilfe von zw ei Komponenten erklärt w erden:
(i) Niederenergetischer Teil: Synchrotronstrahlung der relativistischen Elektronen im Jet (Radio, IR/optisch bis
hin zum Röntgenbereich) und (ii) hochenergetischer Teil: Im Falle von sogenannten leptonischen Jet-Modellen
streuen die relativistischen Elektronen durch Inverse-Compton (IC) Prozesse erster und zw eiter Ordnung
Photonen zu den höchsten Energien (Röntgenbereich, GeV/TeV). Der Ursprung dieser "Saat-Photonen" ist
zurzeit unklar und es existieren unterschiedliche Modelle: (i) Die Jet-eigenen Synchrotronphotonen oder (ii)
"externe Photonen" aus dem Akkretionsprozess oder aus Strukturen, die den Kernbereich w eiter außen
umgeben (Wolken/molekularer Torus). In sogenannten hadronischen Modellen w ird der hochenergetische Teil
der Strahlung nicht durch IC-Strahlung erklärt, sondern durch die Interaktion von relativistischen Protonen im
Jet mit umgebender Materie
und Strahlungsfeldern, Protonen-indizierte
Kaskaden oder sogar durch
Synchrotronstrahlung der Protonen.
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A bb. 1: Typische La ngze it-Lichtk urve (He lligk e it ge ge n Ze it)
e ine s Ga m m a stra hle n-Bla za rs, be oba chte t m ithilfe de r
R a diote le sk ope de s F-GAMMA P rogra m m s (Effe lsbe rg 100-m
und IR AM 30-m ). Die Q ue lle AO 0235+164 ze igt sta rk e
Va ria bilitä t m it zwe i dra m a tische n Stra hlungsa usbrüche n a uf
Ze itsk a le n von Mona te n. W ä hre nd de s zwe ite n Ausbruchs
(2008/2009) wurde a uch m it Fe rm i-GST im Ga m m a be re ich e in
sta rk e r Ausbruch de te k tie rt.
© Ma x -P la nck -Institut für R a dioa stronom ie
Die
Details
zur Enstehung
Gammastrahlung,
die
und
Beschleunigung
der Jets, der Ursprungsort
Breitband-Strahlungsprozesse
insgesamt
(z.
B.
der hochenergetischen
leptonisch
oder
hadronisch,
interne/externe IC-Prozesse) als auch die starke Variabilität der Strahlung über das ganz Spektrum sind
bisher jedoch im Detail nicht verstanden. Diese Prozesse finden auf kleinsten Skalen und den innersten
Bereichen der zentralen Regionen statt (≤ Lichtjahre) und sind daher nur schw er direkt zugänglich. Diese
innersten Bereiche und kleinsten Skalen sind zur Zeit nur im Radiobereich und mit Hilfe der sogenannten
Interferometrie
auf
langen
Basislinien
(VLBI)
bildgebend
erreichbar.
Das
Auflösungsvermögen
von
IR/optischen, Röntgen- und Gammateleskopen reicht hierzu nicht. Andererseits bietet jedoch die beobachtete
Variabilität der Strahlung der AGN (Abb. 1) aufgrund der kurzen Variabilitätszeitskalen (enorme Ausbrüche im
Kern auf Zeitskalen von Tagen/Wochen/Monaten) die Möglichkeit, die mit den kurzen Zeitskalen verbundenen
kleinsten Strukturen in der Kernregion zu erreichen. Die Ursache der Variabilität w ird dabei oft mithilfe von
relativistischen Schocks erklärt, die den Jet durchlaufen und ihren Ursprung in der Einspeisung von neuem
Material ("frische Elektronen") am Fusspunkt des Jets haben.
Ein neues Gammastrahlen-Observatorium: Ferm i-GST
Aufgrund der breitbandigen und zeitlich-variablen Natur der AGN-Strahlung w ird deutlich, dass eine
detailliertere Einsicht in die physikalischen Prozesse nur durch zeitnahe Beobachtungen über das ganze
Spektrum erfolgen kann. Jedoch w aren solche AGN-Breitband-Studien bisher stark limitiert durch (i) fehlende,
w irklich simultane Beobachtungen mit guter Frequenzabdeckung und (ii) die fehlende Sensitivität und zeitliche
Auflösung bei hohen Energien (MeV/GeV).
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A bb. 2: De r Him m e l im Ga m m a be re ich be oba chte t m it FermiGST na ch de n e rste n 11 Mona te n de r
Him m e lsdurchm uste rung: je de r fa rblich m a rk ie rte P unk t
e ntspricht e ine r de te k tie rte n P unk tque lle (ca . 1400). De r
dom ina nte Ante il de r Q ue lle n ste lle n AGN da r (≈ 700
Q ue lle n). Unte r ihne n be finde n sich 60 Q ue lle n, die a uch
inne rha lb de s F-GAMMA P rogra m m s be oba chte t we rde n.
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Das neue Fermi Gamma-Ray Space Telescope (Fermi-GST) Satellite (Start im Juni 2008) bietet erstmalig die
Gelegenheit, die Physik der breitbandigen Jet-Emission in einer großen Anzahl von Quellen im Detail zu
studieren. Das Large Area Telescope (LAT) an Bord von Fermi-GST besitzt ein großes Sichtfeld und überdeckt
den Energiebereich von 20 MeV bis hin zu 300 GeV. Seine besonderen Eigenschaften und der Betrieb im all-sky
survey Beobachtungsmodus erlaubt eine systematische und kontinuierliche Studie des ganzen HochenergieHimmels mit unvergleichlicher Genauigkeit und Zeitauflösung: Fermi-GST übertrifft vorherige Generationen von
Gammastrahlen-Teleskopen in Bezug auf Sammelfläche, Energiebereich, W inkelauflösung und Sichtfeld. Es
beobachtet ca. 20% des Himmels zu jeder Zeit, und "sieht" somit den ganzen Himmel alle drei Stunden. Sein
Design und seine Detektortechnologie ermöglicht eine Verbesserung in der Sensitivität um einen Faktor 10
oder mehr im Vergleich zu seinen Vorgängern. Damit w ird es zum ersten Mal möglich, den hochenergetischen
Teil der AGN-Strahlungsprozesse für eine große Anzahl von AGN (Detektion von ≈ 700 AGN im ersten Jahr,
Abb. 2, [1]) im Detail zu untersuchen. Darüber hinaus ermöglichen die detailierten Fermi-Daten nun auch die
Studie der Breitband-Strahlungs- und Variabilitätsprozesse über das ganze Spektrum, w enn diese mit Daten
w eiterer
Erd- und
Satelliten-gestützter
Teleskope
anderer
Wellenlängenbereiche
(Radio-, IR/optisch,
Röntgenbereich) kombiniert w erden.
Das F-GAMMA Programm des MPIfR
Um diese neuen Breitbandstudien zum niederenergetischen Synchrotronteil der spektralen Energieverteilung
von Blazaren zu erw eitern, w urde eine neue, internationale Fermi-dedizierte Beobachtungs-Kollaboration
zw ischen verschieden Forschungsgruppen initiiert. Dazu gehören das Max-Planck-Institut für Radioastronomie
(MPIfR), IRAM (Spanien), Caltech (USA), aber auch die Fermi-GST AGN-Gruppe. Das in diesem Zusammenhang
gestartete F-GAMMA Programm (Fermi-GST
AGN Multi-frequency Monitoring Alliance) ist ein Programm zur
monatlichen Beobachtung (Monitoring) der Variabilität und spektralen Evolution von ca. 60 Fermi-GST
detektierten Hochenergie-Blazaren [2,3]. Es begann Anfang 2007 und liefert seitdem (und über die nächsten
Jahre) quasi-simultane, breitbandige Monitoring-Beobachtungen der totalen Helligkeit als auch Polarisation
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dieser Quellen. Es vereint die regelmäßige und zeitgleiche Benutzung des Effelsberg 100-m und anderen
Teleskopen für Variabilitäts- und Breitband-Studien mit dem speziellen Ziel Gammastrahlen-Beobachtungen
von AGN und speziell dem Fermi/LAT-Detector zu komplementieren. Diese Allianz beinhaltet das Pico Veleta 30m (IRAM) und seit 2008 auch das APEX Teleskop für Messungen bei Submillimeter-Wellenlängen. Das FGAMMA-Programm liefert daher erstmalig eine kontinuierliche und quasi-simultane Abdeckung des ganzen
cm/mm/sub-mm Wellenlängenbereiches (insgesamt bei 11 Frequenzen) für eine große Stichprobe von
hochenergetischen Quellen. Zudem kommen w eitere enge Kollaborationen und Teleskope, w ie das OVRO 40-m
Teleskop (Caltech), der Planck-Satellite und eine Reihe optischer Teleskope.
Ursprung der Variabilität in Hochenergie-AGN
Die
Lichtkurven und
quasi-simultanen Breitband-Radiospektren des
F-GAMMA Programms
ermöglichen
erstmalig im Detail und für eine große Anzahl von Quellen das zeitliche und spektrale Variabilitätsverhalten im
Radiobereich zu studieren und mit den vorhandenen theoretischen Modellen zu vergleichen. Aus den
Datensätzen der ersten 3 Jahre ergibt sich, dass die große Vielfalt der beobachteten Variabilitätsmuster sich
auf nur zw ei w esentliche Muster vereinen lassen: (i) Variabilität dominiert durch starke und kontinuierliche
spektrale Veränderungen (Typ 1) und (ii) nahezu achromatische Variabilität, w obei das Spektrum sich nur
selbstähnlich auf und ab bew egt (Typ 2).
Diese phänomenologischen Ergebnisse implizieren, dass nur zw ei w esentliche Mechanismen existieren, die die
AGN-Variabilität verursachen (zumindest in der untersuchten Stichprobe). Im ersten Fall lässt sich durch
Simulationen zeigen, dass die beobachtete spektrale Evolution sehr gut durch das zuvor erw ähnte
relativistische
Schockmodell
beschrieben
w erden
kann.
Dieses
w ird
es
zukünftig
ermöglichen,
die
Modellparameter mit Hilfe der Beobachtungen stark einzuschränken und die Veränderungen der physikalischen
Konditionen in den Quellen (z. B. Magnetfelder, Dopplerfaktoren, Teilchendichten) auf kleinsten Skalen zu
studieren. Im zw eiten Fall erscheinen geometrische Veränderungen des Jets entlang der Sichtlinie (und damit
Änderungen der Dopplerverstärkung) Ursache der Helligkeitveränderungen zu sein. Hier muss sich zukünftig
zeigen, ob eventuell präzidierende Jets (z. B. aufgrund eines Doppelsystems von Schw arzen Löchern) oder
helikale Bew egungen der Schocks in den Jets (aufgrund einer helikalen Anordnung der Magnetfelder entlang
des Jets) die spektrale Evolution beschreiben können. Interessanterw eise hat bisher keine der Quellen
innerhalb der ersten drei Jahre ihr Variabilitätsmuster verändert (z. B. von Typ 1 zu Typ 2), w as den
Variabilitättyp zu einem speziellen "Fingerabdruck" einer jeden Quelle macht.
F-GAMMA und Ferm i-GST: simultane Radio- und Gammastrahlen-Beobachtungen von AGN
Auf Basis der Multifrequenz-Daten des F-GAMMA Programms ist es möglich, die Radio-Eigenschaften der
beobachteten AGN-Stichprobe mit den quasi-simultan gemessenen Hochenergie-Eigenschaften zu vergleichen.
Unter Benutzung der Fermi-GST Daten findet man eine Korrelation zw ischen den simultanen Radio- und
Gammastrahlen-Helligkeiten von 29 Fermi-Quellen. Eine Monte Carlo Simulation, w elche die statistischen
Verzerrungen (kleine Stichprobe, eingeschränkte Entfernungs- und Helligkeitsbereiche) einer solchen Studie
adäquat berücksichtigt, demonstriert erstmalig die statistische Signifikanz einer solchen Korrelation. Zudem
scheint diese zu kürzeren Radiow ellenlängen hin immer prominenter zu w erden. Die Existenz einer solchen
radio/γ-ray Korrelation w urde in der Vergangenheit kontrovers diskutiert. Im Falle leptonischer Modelle w ürde
man eine Korrelation zw ischen Synchrotronemission der relativistischen Elektronen (Radio, IR/optisch) mit der
IC-Emission bei hohen Energien (MeV/GeV) auf natürliche Weise erw arten. Dieses bestätigen nun die ersten
Studien innerhalb des F-GAMMA Programms. Die verstärkte Korrelation hin zu kürzeren Radiow ellenlängen
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(mm-Bereich) deuten w eiter darauf hin, dass die hochenergetische Gammastrahlung aus den innersten
Kernbereichen kommt.
Letzteres ist eine noch nicht beantw ortete Frage: w o im Jet w ird die Gammastrahlung produziert?
Theoretische Modelle der Gammastrahlen-Produktion in relativistischen Jets sehen hier hauptsächlich zw ei
Möglichkeiten: (i) Ganz nah am Schw arzen Loch – am Fußpunkt des Jets, oder (ii) in den Radioschocks w eiter
außen entlang des Jets. Ein direkter Vergleich der AGN-Aktivität in den Gamma- und Radio-Lichtkurven dieser
Quellen
hilft
hier: die
relative
zeitliche
Koordinierung
eines
quasi-simultanen
Ausbruchs
in
beiden
Frequenzbändern erlaubt Rückschlüsse auf die Lokalisierung des Ereignisses innerhalb des Jets. Obw ohl
Beobachtungen über einen sehr langen Zeitraum für eine solche Studie nötig sind, zeigen die ersten 11
Mo n a te Fermi-GST Daten, dass sich viele Quellen zu Zeiten erhöhter Gamma-Aktivität auch in erhöhten
Radiozuständen (besonders bei höheren Radiofrequenzen) befinden. Speziell scheinen Gamma-Ausbrüche oft
dann aufzutreten, w enn die Quellen sich schon in einem ansteigendem Radiostadium befinden. Dieses w ürde
für einen Ursprung der Gammastrahlen in den Radioschocks sprechen, die sich typischerw eise w eiter entfernt
vom Schw arzen Loch und entlang des Jets befinden. Daraus ergeben sich w iederum Rückschlüsse auf den
Ursprung der "Saat-Photonen" des IC-Prozesses, die für die Hochenergie-Produktion benötigt w erden.
Genauere Studien über die nächsten Jahr sind jedoch notw endig, um dieses mit verbesserter Statistik und
entsprechenden Simulationen zu belegen.
Eine neue Gruppe von Gammastrahlen-AGN
Die meisten bisher enteckten Hochenergie-AGN w aren in der Vergangenheit entw eder Blazare oder
Radiogalaxien. In der Tat zeigte Fermi-GST in den ersten Monaten bereits, dass der extragalaktische Himmel
im Gammabereich von diesen Objekten dominiert w ird (Abb. 2). 2008/2009 schließlich entdeckte Fermi-GST
einen neuen Typ von AGN, der hell im Gammabereich strahlt: die Quelle PMN J0948+002, eine sogenannte
Narrow-line Seyfert I' (NLSy1) Galaxie (typischerw eise radio-leise ohne prominenten relativistischen Jet).
Breitband-Beobachtungskampagnen inklusive des F-GAMMA Programms zw ischen 2008 und 2010 konnten
schließlich zeigen, dass dieser neue Typ von Gammastrahlen-AGN auch einen relativistischen Jet besitzt [4]:
die
spektrale
Breitband-Energieverteilung der Quelle
besitzt die
typische
Doppelstruktur w ie
die
in
leuchtkräftigen Blazaren. Die Modellierung der Daten mit einem leptonischen Emissionsmodell ergeben dabei
auch
die
einem
Blazar-typischen
physikalischen
Parameter
(z.
B.
Leuchtkraft,
Magnetfelder,
Dopplerverstärkung). Die spektralen Eigenschaften im Radiobereich erhalten aus den F-GAMMA- sow ie VLBIDaten zeigen w eiterhin die typischen Eigenschaften eines relativistischen Radiojets (flaches/invertiertes
Radiospektrum, Radioausbrüche, Polarisation, kompakter Kernbereich etc.).
Die Detektion eines leistungsstarken, Blazar-ähnlichen Radiojets in diesem AGN-Typ stellt jedoch eine neue,
große Herausforderung dar: Im Standardbild w erden relativistische Jets typischerw eise in elliptischen Galaxien
produziert, die Muttergalaxien von NLSy1-AGN jedoch sind meist Spiralen. Seit dem Start von Fermi-GST und
der Entdeckung von PMN J0948+002 w urden w eitere solcher hochenergetischen NLSy1-Quellen gefunden [5].
Diese w erden für zukünftige, detailiertere Studien nun auch kontinuierlich innerhalb des F-GAMMA Programms
beobachtet.
Ausblick
Die zuvor beschriebenen Beispiele und ersten w issenschaftlichen Ergebnisse des Fermi-GST Satelliten, als
auch des F-GAMMA Programms des MPIfR geben einen Einblick in die sich ergebenden Möglichkeiten, tiefere
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Einblicke in die physikalischen Prozesse dieser hochenergetischen Objekte zu erlangen. W ie so oft liefern
verbesserte Instrumente und Beobachtungsprogramme neue Ergebnisse und Entdeckungen, die w iederum
hochinteressante und spannende neue Fragen aufw erfen. Diese gilt es zukünftig zu beantw orten. Dabei
w erden die Daten von Fermi-GST und des F-GAMMA Programms über die nächsten Jahre von großer Bedeutung
sein.
[1] A. Abdo et al.:
The First Catalog of Active Galactic Nuclei Detected by the Fermi Large Area Telescope.
The Astrohpysical Journal 715, 429-457 (2010).
[2] L. Fuhrmann et al.:
Simultaneous Radio to (Sub-) mm-monitoring of variability and spectral evolution of potential GLAST
blazars.
The first GLAST Symposium, 921, 249 (2007)
[3] E. Angelakis et al.:
The F-GAMMA program: multi-wavelength AGN studies in the Fermi-GST era.
Proceedings of the w orkshop ‘Fermi meets Jansky’; Savolainen et al. (Eds), 2010,
http://arxiv.org/abs/1006.5610
[4] The first gamma-ray outburst of a Narrow-Line Seyfert I Galaxy: the case of PMN J0948+0022 in
July 2010. http://arxiv.org/abs/1010.4434 (2010).
The first gamma-ray outburst of a Narrow-Line Seyfert I Galaxy: the case of PMN J0948+0022 in July
2010.
http://arxiv.org/abs/1010.4434 (2010).
[5] L. Fuhrmann et al.:
Recent multi-wavelength campaigns in the Fermi-GST era.
Proceedings of the w orkshop ‘Fermi meets Jansky’; Savolainen et al. (Eds), http://arxiv.org/abs/1007.0348
(2010).
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