Spectral and temporal signatures of leptohadronic radiation models for active galactic nuclei in the multi-messenger era

Abstract

The dissertation investigates how particle-acceleration processes in active galactic nuclei (AGN) produce multi-messenger signals (photons, neutrinos). It develops and applies lepto-hadronic models that combine leptonic and hadronic processes to interpret observations in the era of multi-messenger data, with an emphasis on jets and regions near the nucleus (e.g., M87*). It presents the new code LeHaMoC, which solves time-dependent Fokker–Planck equations for electrons, protons, photons, and neutrinos, and is validated against analytical solutions and existing codes. Applications include a Bayesian fit of a blazar spectrum and simulations of an AGN core (NGC 1068) that predict a neutrino flux. In addition, it analyzes magnetic reconnection in the magnetosphere of M87*, which can produce day-scale MeV flares and accelerate protons up to ~10^{18} eV. In the same environments, the modification of the local pair magnetization due to pair creation from γγ absorption is studied. Finally, it develops a spatially dependent reconnection model for blazar jets that explains the blazar spectral sequence and predicts PeV neutrinos when the emitting region lies close to the supermassive black hole in the presence of strong external photon fields.

Η διατριβή μελετά πώς οι διαδικασίες επιτάχυνσης σωματιδίων σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες (ΕΓΠ) παράγουν πολυ-αγγελιοφορικά σήματα (φωτόνια, νετρίνα). Αναπτύσσει και εφαρμόζει λεπτοαδρονικά μοντέλα που συνδυάζουν λεπτονικές και αδρονικές διεργασίες για την ερμηνεία παρατηρήσεων στην εποχή των multi-messenger δεδομένων, με έμφαση σε πίδακες και περιοχές κοντά στον πυρήνα (π.χ. M87*). Παρουσιάζεται ο νέος κώδικας LeHaMoC, που λύνει χρονικά εξαρτώμενες εξισώσεις Fokker-Planck για ηλεκτρόνια, πρωτόνια, φωτόνια και νετρίνα, και επικυρώνεται έναντι αναλυτικών λύσεων/υπαρχόντων κωδίκων. Εφαρμογές περιλαμβάνουν Μπεϋζιανή προσαρμογή του φάσματος ενός blazar και προσομοιώσεις του κέντρου ΕΓΠ (NGC 1068) με πρόβλεψη ροής νετρίνων. Επιπλέον, αναλύεται η μαγνητική επανασύνδεση στη μαγνητόσφαιρα του M87*, που μπορεί να προκαλεί ημερήσιες MeV εκλάμψεις και να επιταχύνει πρωτόνια έως ~10^{18} eV. Στα ίδια περιβάλλοντα μελετάτε πως η τοπική μαγνητίση αλλάζει λόγο παραγωγής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων από απορρόφηση των φωτονίων. Τέλος, αναπτύσσεται χωρο-εξαρτώμενο μοντέλο επανασύνδεσης σε πίδακες blazar, το οποίο εξηγεί τη φασματική ακολουθία blazar και προβλέπει νετρίνα PeV όταν η περιοχή υπεύθυνη για την ακτινοβολία βρίσκεται κοντά στην υπερμεγάθης μελανή οπή υπό την παρουσία έντονων εξωτερικών φωτονικών πεδίων.