Kurzfassung
Diese Arbeit untersucht die Variabilität von aktiven Galaxienkernen (active galactic nuclei,
AGN). Diese faszinierende Objektklasse befindet sich unter den hellsten und energiereichsten
Quellen am Himmel. Hauptgegenstand meiner Arbeit ist die schnelle Veränderlichkeit von
Blazaren, einer besonders interessanten Klasse von AGNs. Zwischen 1986 und 1999 wurde
ein ausgedehntes Beobachtungsprogramm im optischen und nahen Infrarotbereich (NIR) an den
Kanarischen Observatorien durchgeführt. In diesem Zusammenhang beobachtete ich die Daten
von 25 Objekten in Rahmen von 393 Beobachtungsnächte mit optischer und NIR-Photometrie.
Zusätzlich habe ich 7 Blazaren polarimetrisch beobachtet.
Um eine hochpräzise Photometrie zu erreichen, entwickelte ich einen neuen Algorithmus zur
Ermittlung der Helligkeit der Quelle mit Hilfe einer variablen Anzahl von Vergleichssternen.
Durch Anwendung dieser verbesserten Ensemble-Photometrie konnte ich die photometrische
Genauigkeit wesentlich erhöhen: auf eine Präzision ≈0.5% für Sterne der Magnitude 15 — das
bedeutet eine Verbesserung bis zu 40% im Vergleich zu Standardmethoden.
Für nahgelegene AGNs konnte ich die Photometrie um den Anteil der umgebenden Galaxie
korrigieren. Hierzu habe ich erstmalig die Objekte in Galaxie und Punktquelle in verschiedenen
Filtern zerlegt, wobei die Strukturparameter der Galaxie gefittet wurden. Die Korrekturfaktoren
werden hier vorgelegt und können in Zukunft für andere Beobachtungen verwendet werden.
Weiterhin suchte ich nach Korrelationen zwischen Rotverschiebung, Leuchtkraft, spektralem
Index, mittlerer Polarisation und “langzeit fraktionalem Variabilitätsparameter”. Es zeigte sich
eine bemerkenswerte Korrelation zwischen spektralem Index und Variabilitätsparameter bei BL
Lac Objekten: rotere BL Lac Objekte besitzen höhere Variabilität.
Außerdem habe ich die Langzeitvariabilität der Farbe analysiert und die Relation zwischen
Farbe und Helligkeit der Quellen untersucht. Durch Extraktion des Spektrums der variablen
Quelle zeigte sich, dass in allen Objekten, außer in flat spectrum radio quasars (FSRQs), die
variable Komponente blauer ist als das beobachtete Spektrum. Obwohl die spektralen Indices
von BL Lac Objekten und FSRQs verschieden sind, gleichen sie sich im Spektrum der variablen
Komponente. Die meisten Objekte in der Stichprobe werden gleichzeitig blauer wenn sie heller
werden. Die einzige Ausnahme stellen FSRQs dar, deren Verhalten mit einem Zweikomponenten-
Modell erklärt wird. Bei 3C 66A and OJ 287, den von mir am besten untersuchten Objek-
ten, ist der Zusammenhang von Helligkeit und spektralem Index deutlich signifikanter wenn
die Ausbrüche getrennt betrachtet werden. Ich konnte zeigen, dass in einem Diagramm, in
dem den spektraler Variabilitäts-Parameter gegen den spektralen Index aufgetragen wird, ver-
schiedene Objekttypen unterschiedliche Positionen einnehmen. Dies konnte ich mit einfachen
Variabilitätsmodellen erklären.
Schließlich untersuchte ich die Mikrovariabilität (Schwankungen auf Zeitskalen < 1 d), eine
besonders faszinierende Eigenschaft von Blazaren. Hier führte ich eine neue Definition von Ar-
beitszyklus (duty cycle) ein, die auf die Länge der Beobachtung korrigiert und die verschiedenen
Detektionsempfindlichkeiten der Mikrovariabilität berücksichtigt. Mikrovariabilität fand sich in
allen Objekttypen, unerwarteterweise sogar in radioleise und radiolaut quasaren. In Blazaren
ist die Mikrovariabilität höher in den blauen Filtern und korreliert mit dem gemittelten Fluss,
ähnlich zur rms-flux-Relation, die man in akkretierenden Objekten beobachtet. Ich konnte keine
Zeitverzögerungen in der Variabilität zwischen den optischen Bändern bei BL Lac finden. Aus
einem sehr schnellen Abfall des Flusses in BL Lac konnte ich das magnetische Feld im Jet als
∼ 4 G abschätzen.
This thesis studies the variability of active galactic nuclei (AGN), an intriguing class of objects among the brightest and most energetic sources in the sky. The main focus of my work is the rapid variability of blazars, a particularly interesting class of AGNs. Between 1986 and 1999, an extensive optical/NIR observing program was carried out at the Canary Islands observatories. I took data for a sample of 25 objects. The photometric data were collected during to a total of 393 observing nights, using optical and NIR photometry. In addition, polarimetry (linear polarization) was performed for 7 blazars. To reach high-precision in the photometry, I developed a new algorithm to extract the target brightness from the images that uses a variable number of comparison stars. Applying this improved method of ensemble-photometry, I was able to reach considerably better photometric accuracy: a precision of ≈0.5% for stars of magnitude 15—this corresponds to an improvement of up to 40% compared to standard methods. For nearby AGNs, I corrected the photometry for the host galaxy contribution. To this end, I disentangled these objects into a galaxy and a point source, by fitting the structural parameters of the host. To my knowledge, my method performs this disentangling for the first time in up to seven filters. The magnitude corrections that need to be applied to the photometry of these AGNs are given in this work and can be used by other observers. Furthermore, I searched for correlations between the redshift, luminosity, spectral index, mean polarization, and the long-term fractional variability parameter. I found a pronounced correlation between the color and the amplitude of variability, particularly significant for BL Lac objects: redder BL Lac objects show stronger variability. I analyzed the long-term color variability and studied its correlation with the brightness of the sources. By extracting the spectrum of the variable source, I found that in all objects except for flat-spectrum radio quasars (FSRQ) the variable component is bluer than the observed spectrum itself. Although the spectral indices of BL Lac objects and FSRQs are different, the spectrum of the variable component of FSRQs is similar to that of BL Lacs. Most objects in the sample become bluer when brighter; the only exceptions are FSRQs, whose behavior is explained by a two-component model. In 3C 66A and OJ 287, the best-studied objects here, I found that the relationship between the flux and the spectral index becomes notably more significant when outbursts are considered individually. I found that for the AGNs in my sample, different object types have different locations in the spectral variability parameter vs. spectral index diagram, which I explain with simple models of variability. Finally, I studied the microvariability (i.e., variability on timescales < 1 d), one of the most intriguing characteristics of blazars. I introduced a new definition of the duty cycle that corrects for the duration of the observations and takes the different detection levels of microvariability into account. I found microvariability in all classes of objects, even in radio-quiet and radio-loud quasars. In blazars, the microvariability is higher in bluer filters and correlates with the average flux, similarly to the rms-flux relation observed in accreting objects. I found no time lags in the microvariability between the optical bands in BL Lac. From a very rapid decay of the flux in BL Lac, I estimated the magnetic field in the jet to be ∼ 4 G.