In this thesis I use multi-wavelength data from radio up to γ-rays to study emission processes in the jets of flaring blazars and blazar-like active galactic nuclei (AGN). Powered by accretion onto a supermassive black hole, AGN can produce luminosities that outshine their host galaxy. A fraction of AGN form large-scale, collimated outflows of particles moving at relativistic speed, which are called jets. In case such a jet is orientated towards our line of sight at a small angle, the object is called a blazar. Blazars exhibit a variable behaviour across the entire electromagnetic spectrum, and, on occasion, show flares, which are a dramatic increase in luminosity at one or several wavelengths. The processes partaking in flares are not fully understood, and rapid variability detected at γ-ray energies is a challenge for current jet models. The blazar Mrk 421 is one of the brightest sources in the extragalactic sky, and regularly shows bright flares. I analysed multi-wavelength data obtained as part of a monitoring program with the γ-ray telescope FACT and the optical, UV and X-ray instruments on-board Swift, and, in particular, during a γ-ray flare in June 2019. A combined fit of the optical, UV and X-ray data, including hard X-ray data from INTEGRAL, with a log-parabola model revealed a shift of the peak position of the low-energy hump in the typical two-hump broadband spectral energy distribution (SED) towards higher energies. This behaviour is also covered by a long (90 ks) XMM-Newton observation. I displayed the X-ray data in hardness-intensity diagrams and a hysteresis curve, and found a steady increase of high energy photons in the 4–10 keV band during a general increase of the flux, known as the ‘harder-when-brighter’ trend, which has been observed in Mrk 421 and other blazars before. Searching for signals of variability on very short time scales, I discover two distinct features in the hard (4–10 keV) X-ray band, which resemble ‘mini-flares’ on top of the generally variable emission. The associated time scales are on the order of four to five minutes, and as short as the rapid variability detected at (very high energy) γ-rays in a few other blazars. A process that could explain rapid variability in both energy regimes is magnetic reconnection, which has been predicted to produce certain polarisation characteristics that might be detectable in the future with IXPE. In this dissertation, I also present a multi-wavelength study of the narrow-line Seyfert 1 (NLSy 1) galaxy PKS 2004−447 in the context of its first γ-ray flare. Typically, NLSy 1s are non-jetted AGN, but a fraction of them have been found to host relativistic jets, and a small number of them was also detected by the γ-ray telescope LAT on-board the Fermi satellite. PKS 2004−447 belongs to the latter ones, and showed moderate variability since Fermi/LAT began surveying the sky, until it exhibited a blazar-like γ-ray flare in October 2019. Target-of-opportunity observations were conducted with Swift, XMM-Newton, and NuSTAR to study optical, UV, and X-ray emission of the source during and after the flare. Due to good multi-wavelength coverage at different activity phases of the source, it was possible to build time-resolved broadband SEDs with quasi-simultaneous data. A leptonic model describes the flaring behaviour sufficiently well, and reveals a strong resemblance to blazar, and in particular to flat-spectrum radio quasars. Furthermore, I analyse the combined X-ray data from XMM-Newton and NuSTAR, and find that the X-ray spectrum is strongly dominated by the jet, and lacks typical properties of NLSy 1 X-ray spectra. While PKS 2004−447 shows longer-term variability at all wavelengths, the γ-ray light curve reveals short-term variability on the order of hours during its state of enhanced γ-ray flux. Based on these findings, and due to its possibly low-mass black hole (< 10^8 M⊙ ) and compact radio emission, PKS 2004−447 might be a powerful blazar in the making.

In meiner Dissertation verwende ich Beobachtungsdaten des gesamten elektromagnetischen Spektrums, vom Radio- bis hin zum Gamma-Bereich, um die Jets von Blazaren und blazar- artigen aktiven Galaxienkernen (engl. active galactic nuclei; AGN) zu untersuchen. Mein Fokus liegt dabei im Speziellen auf Zeiträumen, in denen ein AGN einen hellen Gammastrah- lungsausbruch zeigt. AGN gewinnen Energie durch den Prozess der Akkretion von Masse, und können die Helligkeit ihrer Galaxie übertreffen, in deren Zentrum sie sich befinden. Ein kleiner Teil der AGN ist in der Lage, große kollimierte Materieströme zu bilden, die Jets genannt werden. In diesen bewegen sich Teilchen mit relativistischen Geschwindigkeiten, also nahe der Lichtgeschwindigkeit, und die Jets können die Größenskalen von Galaxien erreichen. Zeigt ein solcher Jet in unsere Richtung, nennt man solch einen AGN Blazar. Die Emission von Blazaren ist im gesamten elektromagnetischen Spektrum sehr variabel, und es können auch Strahlungssausbrüche, sogenannte Flares, auftreten, bei denen die Helligkeit in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen für einem kurzen Zeitraum stark ansteigt. Die dafür verantwortlichen Prozesse sind noch nicht vollständig verstanden. Insbesondere die extrem schnelle Variabilität der Gammastrahlung stellt eine Herausforderung für aktuelle Modelle dar. Der Blazar Mrk 421 ist einer der hellsten extragalaktischen Objekte, und zeigt oft helle Flares. Als Teil meiner Dissertationsarbeit habe ich Multiwellenlängendaten ausgewertet, die im Rahmen einer kontinuierlichen Überwachung mit dem Gamma-Teleskop FACT und den Instrumenten an Bord des Satelliten Swift, sowie während eines Gammastrahlen-Ausbruchs im Juni 2019, genommen wurden. Ich habe optische, UV- und Röntgendaten, inklusive INTE- GRAL-Daten aus dem harten Röntgenbereich, zu einem Breitband-Spektrum (engl. broadband spectral energy distribution; SED) kombiniert. Eine Blazar SED zeigt typischerweise zwei charakteristische “Höcker”, wobei die zuvor erwähnten Energiebereiche im Fall von Mrk 421 das Maximum und den Abfall des ersten Höckers sehr gut abdecken. Ich modelliere diese Daten mit einer logarithmischen Parabelfunktion, welche die Daten empirisch ausreichend beschreibt, und Veränderungen des Höckers bzgl. Maximalfluss und -energie leicht bestimmen lässt. Während des Strahlungsausbruchs im Gamma-Bereich ereignete sich auch zeitgleich ein Flare im Röntgenbereich, der zugleich mit einer Verschiebung des Höcker-Maximums zu höheren Energien einherging. Diese Verhalten spiegelt sich auch in der Beobachtung mit XMM-Newton wieder, in der Mrk 421 für einen Zeitraum von etwa 25 Stunden fast durchge- hend beobachtet wurde. Ich stelle die Daten in einem Härte-Intensitäts-Diagram und einer Hysteresekurve dar, und finde einen starken und konstanten Anstieg von Photonen im Energie- bereich von 4–10 keV, während auch der gemessene Fluss ansteigt. Dieses Verhalten, dass das Spektrum härter wird, wenn die Quelle heller wird, wurde bereits zuvor für Mrk 421 und auch andere Blazare beobachtet. Auf der Suche nach Variabilität auf sehr kurzen Zeitskalen habe ich zwei signifikante ‘Mini-Flares’ in der Lichtkurve im höchsten Energieband (4–10 keV) der XMM-Newton Beoachtung entdeckt. Die damit verbundenen Zeitskalen sind kürzer als fünf Minuten, und damit ungefähr so schnell wie die extremste Kurzzeitvariabilität, die im Gammalicht bei anderen Blazaren entdeckt wurden. Ein Prozess, der für die Entstehung dieser in Frage kommt, ist magnetische Rekonnexion. Simulationen zeigen, dass dieser Prozess Röntgenstrahlung in einer bestimmten Art und Weise polarisieren könnte, was im Falle von besonders hellen Strahlungsausbrüchen von der Mission IXPE zukünftig gemessen werden könnte. Ein weiteres Projekt meiner Dissertation behandelt die schmallinige Seyfert 1 (engl. narrow- line Seyfert 1; NLSy 1) Galaxie PKS 2004−447 und deren ersten beobachteten Gammastrah- lungsausbruch. NLSy 1 Objekte sind typischerweise AGN ohne Jet. Allerdings weist ein kleiner Teil von ihnen relativistische Jets auf, von denen wiederum eine kleine Anzahl auch im Gammalicht von Fermi/LAT beobachtet wurden. Auch für die Analyse von PKS 2004−447 werte ich Multiwellenlängen-Daten aus. Seit Beginn ihrer Entdeckung im Gammalicht zeigte diese Quelle eine moderate Variabilität, bis sie im Oktober 2019 einen Gammastrahlungs- ausbruch zeigte, der denen von Blazaren ähnlich war. Mittels schnellen Nachbeobachtungen durchgeführt mit Swift, XMM-Newton und NuSTAR war es möglich, Daten im optischen, UV und Röntgenbereich während und nach dem Flare zu sammeln. Eine gute Abdeckung von Daten in mehreren Wellenlängenbereichen des Spektrums macht es möglich, die ver- schiedenen Aktivitätsphasen von PKS 2004−447 in zeitaufgelösten SEDs zu analysieren. Die Strahlung wird mit einem einfachen, leptonischen Modell, welches das breitbandige Verhalten der Quelle gut beschreibt, modelliert und man erkennt eine starke Ähnlichkeit zu Blazaren, und im besonderen zu Quasaren mit einem flachen Radiospektrum. Desweiteren analysie- re ich die Röntgendaten von XMM-Newton und NuSTAR in einem kombinierten Spektrum, welches stark von der Jet-Strahlung dominiert ist. Ich kann keine typischen Merkmale von NLSy 1 Galaxien in dem Röntgenspektrum von PKS 2004−447 ausmachen. Diese Quelle zeigt Variabilität auf längeren Zeitskalen im gesamten elektromagnetischen Spektrum, aber auch Kurzzeitvariabilität in der Größenordnung von Stunden im Gammalicht im Zeitraum des Strahlungsausbruchs. Das schwarze Loch im Zentrum von PKS 2004−447 hat vermut- lich eine vergleichsweise geringe Masse für AGN, die einen Jet ausbilden (< 10^8 M⊙ ), und die Radiostrahlung von der Quelle ist kompakt. Diese zwei Beobachtungen in Kombination mit der in dieser Arbeit vorgestellten Multiwellenlängenanalyse lassen die berechtigte Frage aufkommen, ob PKS 2004−447 ein junger AGN ist, der sich über die Zeit hinweg zu einem mächtigen Blazar entwickeln wird.