Multi-Messenger Modelling of Active Galactic Nuclei

Abstract

Aktive galaktiske kjerner (AGN) er de kraftigste, kontinuerlige kildene i Universet. For å oppnå en dypere forståelse for disse intrikate objektene hele deres multi-messenger emissivitet utforskes. Denne avhandlingen undersøker den kosmiske utviklingen og den totale energiproduksjonen til AGN ved bruk av lysstyrkefunksjoner. Vi studerer lysstyrkedistribusjonen, tettheten og rødforskyvningsfordelingen til AGN del-populasjoner og sammenligner deres rødforskyvningsutvikling med stjernedannelseshastigheten. Det er vist at lysstyrkefordelingen har en tendens til å øke med synkende lysstyrke og at talltettheten til de fleste del-populasjonene øker med positiv rødforskyvning. Gjennom sammenligning av radio-, røntgen- og gammastråling emissiviteten til kildene med den lokale emissiviteten av ultrahøyenergi kosmisk stråling er det funnet at de fleste AGN populasjonene kan produsere den lokale fluksen. Sammenlignet med den diffuse fluksen av høyenerginøytrinoer finner vi at de fleste AGN populasjonene er tilstrekkelige kilder under forutsetning av at deres nøytrino-emissivitet kan sammenlignes med enten røntgenstråling eller gammastråling.

I den andre delen av oppgaven undersøker vi mulige utslippsprosesser i kraftige blasarar med stor rødforskyvning. Ved bruk av en enkeltsonemodell for den ikke-termiske utslipp sonen, modellerer og tilpasser vi den spektrale energifordelingen i samsvar med multi-bølgelengde observasjoner. Ved å introdusere en populasjon av ultrarelativistiske protoner estimerer vi produksjonen av sekundære nøytrinoer. Modellen viser seg å overprodusere nøytrinoer ved høye energier.

Active Galactic Nuclei (AGN) are the most powerful, continuous sources in the Universe. To obtain a deeper understanding of these intricate objects, the entirety of their multi-messenger emissivity needs to be explored. This thesis investigates the cosmic evolution and total energy output of AGN through the use of luminosity functions. We study the luminosity distribution, number density evolution and redshift distribution of AGN sub-populations, and compare their redshift evolution to the star formation rate. It is shown that the luminosity distribution tends to increase with decreasing luminosity and the number density of most sub-populations evolves positively with redshift. Through comparison of the radio, X-ray and gamma-ray source emissivity with the local emissivity of ultra-high energy cosmic rays, it is found that most AGN populations can produce the measured flux. Compared to the diffuse flux of high-energy neutrinos, we find that most AGN populations are sufficient sources assuming their neutrino emissivity is comparable to either X-rays or gamma-rays.

In the second part of this thesis, we investigate the possible emission processes in powerful, high-redshift blazars. Adopting a single-zone model for the non-thermal emission region, we model and fit the spectral energy distribution in accordance with multi-wavelength observations. Introducing to this model a population of ultrarelativistic protons, we estimate the production of secondary neutrinos. It is found to overproduce neutrinos at high energies.