[論文レビュー] The physics of the radio emission in the quiet side of the AGN population with the SKA

M. Orienti, F. D’Ammando+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、近い将来に運用開始予定のメガメーター級電波望遠鏡（SKA）を用いて、電波遮蔽的活発銀河核（AGN）における電波放射の起源を調査する。本研究では、深さのある高分解能で偏光を測定した電波観測が、非熱的シンクロトロン放射と熱的過程（例：自由-自由放射やサイクロ-シンクロトロン放射）を分離可能であると提唱する。SKAのサブアーセコンド級分解能とμJyレベルの感度により、明るくない高赤方偏移電波遮蔽的AGNの統計的調査が可能となり、中心部の駆動源放射の性質を解明し、星形成と区別できる。主な貢献は、多数のAGNに見られる電波放射を駆動する物理的メカニズムに関する長年の論争を解消するためのSKAデータ活用のロードマップを提示することにある。

ABSTRACT

Despite targets of many multiwavelength campaigns, the main physical processes at work in AGN are still under debate. In particular the origin of the radio emission and the mechanisms involved are among the open questions in astrophysics. In the radio-loud AGN population the radio emission is linked to the presence of bipolar outflows of relativistic jets. However, the large majority of the AGN population do not form powerful highly-relativistic jets on kpc scales and are characterized by radio luminosity up to 10^23 W/Hz at 1.4 GHz, challenging our knowledge on the physical processes at the basis of the radio emission in radio-quiet objects. The main mechanisms proposed so far are synchrotron radiation from mildly relativistic mini-jets, thermal cyclo-synchrotron emission by low-efficiency accretion flow (like ADAF or ADIOS), or thermal free-free emission from the X-ray heated corona or wind. The difficulty in understanding the main mechanism involved is related to the weakness of these objects, which precludes the study of non-local radio-quiet AGN. Multifrequency, high-sensitivity radio observations are crucial to constrain the nature of the power engine, and they may help in distinguishing between the contribution from star formation and AGN activity. The advent of the SKA, with its sub-arcsecond resolution and unprecedented sensitivity will allow us to investigate these processes in radio-quiet AGN, even at high redshift for the first time. Both the broad-band radio spectrum and the polarization information will help us in disentangling between non-thermal and thermal origin of the radio emission. The jump in sensitivity of a few order of magnitudes at the (sub-)uJy level will enable us to detect radio emission from a large number of radio-quiet AGN at high redshift, providing a fundamental step in our understanding of their cosmological evolution. (Abridged)

研究の動機と目的

• 電波遮蔽的AGNにおける電波放射の起源に関する長年の不確実性を解消すること。電波遮蔽的AGNはAGN集団の大部分を占める。
• 星形成とAGN活動の両方が共存する系において、電波バンドにおける両者の寄与を分離すること。
• 電波放射が非熱的シンクロトロン放射（例：ミニジェット由来）か、熱的過程（例：自由-自由またはサイクロ-シンクロトロン放射）由来かを特定すること。
• SKAの類いまれな感度と分解能を活用し、高赤方偏移電波遮蔽的AGNの中心部駆動源および降着流の物理的状態を調査すること。
• 電波放射の構造的およびスペクトル的性質を特徴づけることで、AGNフィードバックの役割を制約すること。

提案手法

• 電波遮蔽的AGNの高赤方偏移領域からの電波放射を検出・分解能分解するため、SKAのサブアーセコンド級角分解能と約1–10 μJyの感度を活用する。
• 複数周波数、高スペクトル分解能（100 MHz）の観測を用いて、バンド2およびバンド5の間で準連続的な電波スペクトルを構築し、スペクトル指数解析により熱的放射と非熱的放射のメカニズムを区別する。
• 偏光観測を適用して秩序だった磁場やジェットに類似した構造を特定する。非熱的シンクロトロン放射は偏光が期待されるが、広がった星形成領域は強く偏光度が低下する。
• 全強度と偏光データを統合して放射メカニズムをモデル化する。例として、平坦スペクトルで偏光度の低い核放射は、シンクロトロン自己吸収を示唆する。
• 円偏光測定を用いて、低効率降着流（例：ADAF/ADIOS）由来のサイクロ-シンクロトロン放射を検出する。これは磁化された高温コロナガスにおける熱的放射の特徴的な印である。
• ビームによる偏光度低下のモデル化を適用し、解像度が低いか複雑な構造にある場合に内在する偏光度が隠蔽される可能性があるインストルメンタルおよび構造的要因を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電波遮蔽的AGNにおける電波放射の主な物理的メカニズム（熱的対非熱的）は何か？
• RQ2 電波遮蔽的AGNにおける電波放射の寄与は、星形成とAGN活動のどちらに起因しているか。両者をどのように分離できるか？
• RQ3 SKAは高赤方偏移電波遮蔽的AGNにおけるパーセクスケール構造、特にミニジェットや降着流放射の証拠を検出・分解能分解できるか？
• RQ4 さまざまなAGNタイプおよび赤方偏移において、電波放射のスペクトル的および偏光的性質はどのように変化し、降着モードに関する何を明らかにするか？
• RQ5 円偏光測定は、電波遮蔽的AGNの中心部における低効率降着流由来のサイクロ-シンクロトロン放射を同定するのに役立つだろうか？

主な発見

• SKAは、均一重み付けを用いた場合、100 MHzスペクトル分解能で約1時間の観測で感度約20 μJyに達し、赤方偏移z ≈ 0.01における10^19 W/Hz程度の放射度まで検出可能である。
• 最大基線2000 kmを有する完全なSKAでは、高周波数帯でミリアーセコンド級分解能を達成でき、高赤方偏移AGNのパーセクスケール構造を直接像として得られる。
• SKA1-MIDの初期科学フェーズでは、1時間の観測で5σ感度が≤60 μJyに達し、赤方偏移z < 0.1の局所AGN（放射度が約10^21 W/Hzまで）を詳細に調査できる。
• 偏光測定により、シンクロトロン放射（偏光あり、スペクトルが急勾配）と熱的放射（偏光度低下、スペクトルが平坦）を区別できる。特にスペクトル指数解析と組み合わせると有効である。
• 円偏光の検出は、高温コロナガス由来のサイクロ-シンクロトロン放射を特徴的に同定可能であり、電波遮蔽的AGNにおける低効率降着流の直接的証拠を提供する。
• バンド幅広い電波スペクトルと偏光データの組み合わせにより、AGN核領域における熱的ブレムストラールング放射、自由-自由放射、非熱的シンクロトロン放射を信頼性高く区別できる。