[論文レビュー] Modeling optical and UV polarization of AGNs I. Imprints of individual scattering regions

R. W. Goosmann, C. M. Gaskell|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 71被引用数 62

ひとこと要約

本稿では、さまざまな幾何配置における自由電子およびダスト粒子の散乱をシミュレートすることで、AGNにおける光学およびUV偏光をモデル化する新しいモンテカルロ放射移動コード、Stokesを紹介する。この研究では、ダストのトルスのホッパー形状が偏光に著しい影響を及えることが判明した。特に、コンパクトで傾斜のきついトルスでは、タイプ2の観測角度で高い偏光度を示し、半開口角が53°から60°に増加するに従い、偏光位置角が対称軸に対して垂直から平行に切り替わる。また、波長依存性のない偏光がダスト散乱を排除するものではないことが示された。

ABSTRACT

[abridged] We investigate the effects of various AGN scattering region geometries on the polarized flux. We introduce a new, publicly available Monte Carlo radiative transfer code, Stokes, which models polarization induced by scattering off free electrons and dust grains. We find that the shape of the funnel of the dusty torus has a significant impact on the polarization efficiency. A compact torus with a steep inner surface scatters more light toward type-2 viewing angles than a large torus of the same half-opening angle, theta0. For theta0 < 53 deg, the scattered light is polarized perpendicularly to the symmetry axis, whilst for theta0 > 60 deg it is polarized parallel to the symmetry axis. In between these intervals the orientation of the polarization depends on the viewing angle. The degree of polarization ranges between 0% and 20% and is wavelength-independent for a large range of theta0. Observed wavelength-independent optical and near-UV polarization thus does not necessarily imply electron scattering. For polar dust, scattering spectra are reddened for type-1 viewing angles, and made bluer for type-2 viewing angles. Polar electron-scattering cones are very efficient polarizers at type-2 viewing angles, whilst the polarized flux of the torus is weak. We predict that the net polarization of Seyfert-2 galaxies decreases with luminosity, and conclude that the degree of polarization should be correlated with the relative strength of the thermal IR flux. We find that a flattened, equatorial, electron-scattering disk, of relatively low optical depth, reproduces type-1 polarization. This is insensitive to the exact geometry, but the observed polarization requires a limited range of optical depth.

研究の動機と目的

• 異なる散乱領域の幾何形状（特にダストのトルスと電子散乱の円す）がAGNの偏光に与える影響を調査すること。
• AGNにおける波長依存性のない光学およびUV偏光が、必ずしも電子散乱を示すものではなく、ダスト散乱でも同様の特徴を示しうることを特定すること。
• 統一モデルの予測を検証するため、さまざまな観測角度およびトルス幾何形状におけるAGNの偏光応答をモデル化すること。
• 光学的厚さと幾何形状が、タイプ1およびタイプ2のAGNにおける観測された偏光度および偏光位置角を生じる役割を定量化すること。
• トルス、円す、ディスクなどの個々の散乱成分が、AGNにおける合成観測偏光に果たす相対的寄与を評価すること。

提案手法

• 自由電子およびダスト粒子からの散乱による偏光をシミュレートする、公開済みのモンテカルロ放射移動コードStokesの開発と応用。
• 理想化された幾何形状における散乱のモデル化：変化する半開口角（θ₀）を有する一様密度のトルス、フラレッドディスク、および円す型散乱領域。
• 広い波長範囲（UVから光学）における偏光フラックスおよび偏光度のシミュレーションを行い、波長依存性および位置角の変化に注目する。
• 主なパラメータ（トルスの光学的厚さ、半開口角、観測傾斜角）を体系的に変化させ、それらが偏光特性に与える影響を評価する。
• 特にNGC 1068およびセーファー系銀河の分光偏光観測からの観測制約と結果を比較する。
• トルス、円す、ディスクの複数の散乱成分を一貫してモデル化し、それらが合成偏光をどのように形作るかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダストのトルスの幾何形状、特にその半開口角とコンパクト性が、AGNにおける偏光度および偏光位置角にどのように影響を与えるか。
• RQ2 ダスト散乱のみで波長依存性のない光学およびUV偏光を生じうるか、それとも観測を説明するには電子散乱が必要か。
• RQ3 トルスが、他の散乱領域（例えば、極方向散乱円す）に進入する放射をどのようにコリメートするか。
• RQ4 電子散乱円すの偏光は、面対面（タイプ1）と縁対面（タイプ2）の観測幾何においてどのように異なるか。
• RQ5 AGNにおける観測された偏光は、散乱媒体の光学的厚さおよび幾何形状によってどの程度決定づけられるか。

主な発見

• 一様密度トルスにおける偏光度は0%から20%の範囲にあり、内側表面が急勾配のコンパクトなトルスで最大値を示す。
• 半開口角θ₀ < 53°では偏光ベクトルは対称軸に対して垂直であり、θ₀ > 60°では平行となる。53° < θ₀ < 60°では、タイプ2の観測角度で両方の方向が観測される。
• トルスの偏光スペクトルはほぼ波長依存性がなく、AGNにおける波長依存性のない偏光が必ずしも電子散乱を示すとは限らない。
• タイプ2の観測角度ではトルスからの偏光フラックスは弱いが、そのコリメートされた放射は、後続の散乱領域の偏光に顕著な影響を与える。
• 電子散乱円すは、すべての観測角度で強い垂直偏光を生じ、光学的厚さが低ければ（数分の1程度）幾何形状に依存しない。
• モデルは、セーファー2型銀河の合成偏光度が明るさの増加に従い減少すると予測し、偏光は熱的IR放射の相対的強度と相関すると示唆している。