[論文レビュー] Towards a physical model of dust tori in Active Galactic Nuclei - Radiative transfer calculations for a hydrostatic torus model

M. Schartmann, Klaus Meisenheimer+3 more|ArXiv.org|Apr 5, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 52被引用数 91

ひとこと要約

本稿では、中心ブラックホールおよび星族分布からの重力的、慣性遠心的、乱流的圧力の力のバランスを考慮した静水的平衡から導かれるダスト分布に基づき、活発銀河核（AGN）のダストトーラスの物理的に自己整合的なモデルを提示する。3次元放射移動計算にMC3Dコードを用い、ダスト粒子のサイズおよび組成の変化、特に異なる昇華半径が、9.7 μmのケイ酸塩特徴を顕著に抑制し、タイプIおよびタイプIIAGNのSpectral Energy Distribution（SED）を正確にフィット可能にすることを示している。一方、NGC 1068およびCircinusの高分解能観測では、内側トーラスにおける温度構造の相違が明らかになった。

ABSTRACT

We explore physically self-consistent models of dusty molecular tori in Active Galactic Nuclei (AGN) with the goal of interpreting VLTI observations and fitting high resolution mid-IR spectral energy distributions (SEDs). The input dust distribution is analytically calculated by assuming hydrostatic equilibrium between pressure forces - due to the turbulent motion of the gas clouds - and gravitational and centrifugal forces as a result of the contribution of the nuclear stellar distribution and the central black hole. For a fully three-dimensional treatment of the radiative transfer problem through the tori we employ the Monte Carlo code MC3D. We find that in homogeneous dust distributions the observed mid-infrared emission is dominated by the inner funnel of the torus, even when observing along the equatorial plane. Therefore, the stratification of the distribution of dust grains - both in terms of size and composition - cannot be neglected. In the current study we only include the effect of different sublimation radii which significantly alters the SED in comparison to models that assume an average dust grain property with a common sublimation radius, and suppresses the silicate emission feature at 9.7 micron. In this way we are able to fit the mean SED of both type I and type II AGN very well. Our fit of special objects for which high angular resolution observations (less than 0.3 arcseconds) are available indicates that the hottest dust in NGC 1068 reaches the sublimation temperature while the maximum dust temperature in the low-luminosity AGN Circinus falls short of 1000 K.

研究の動機と目的

• 自由に設定された幾何学的形状ではなく、静水的平衡に基づく物理的に根拠のある自己整合的モデルを、AGNのダストトーラスに開発すること。
• 均一なダスト分布および均一な昇華半径を仮定する従来のモデルの限界を是正すること。
• 現実的なダスト粒子サイズおよび組成の層化を組み込むことで、タイプIおよびタイプIIAGNの観測された中赤外SEDのフィットを改善すること。
• NGC 1068およびCircinusの高分解能VLTI/MIDI観測を、内側トーラスにおける温度および構造のモデル化によって解釈すること。
• 調整可能な自由パラメータではなく、物理的制約に基づくダスト分布および放射移動を用いることで、トーラスモデルの曖昧さを低減すること。

提案手法

• 中心ブラックホールおよび星族分布からの重力的、慣性遠心的、乱流的圧力の力のバランスを考慮した静水的平衡から、3次元ダスト密度分布を解析的に導出する。
• 3次元モンテカルロ放射移動コードMC3Dを用い、放射移動をシミュレートする。これには、放射の非等方的性およびダストの吸収・再放射を考慮する。
• 平均粒子サイズや組成の単一モデルを仮定する代わりに、粒子サイズおよび組成に応じた異なる昇華半径を組み込む。
• SEDおよび干渉計測定データからの観測的制約を用いて、主要なモデルパラメータ（例：ダスト質量、全放射出力、幾何形状）を固定する。
• ダスト特性、質量、観測方向を変化させたパラメータスタディを実施し、モデルの頑健性およびフィット品質を評価する。
• モデルの予測を、高分解能MIDI干渉計測定データおよびNGC 1068およびCircinusの既存のSEDと比較して、妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静水的平衡から導かれる物理的ダスト分布が、AGNの中赤外SEDに与える影響は何か？
• RQ2 特に異なる昇華半径を有するダスト粒子のサイズおよび組成の層化は、均一モデルと比較して9.7 μmのケイ酸塩発光特徴にどの程度の変化をもたらすか？
• RQ3 物理的に妥当なダスト特性および幾何形状を用いることで、本モデルはタイプIおよびタイプIIAGNの観測SEDを再現できるか？
• RQ4 高分解能VLTI/MIDI観測は、NGC 1068およびCircinusにおける内側トーラスの温度構造および幾何形状にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 標準的な均一ダストモデルが、干渉計測定での相関フラックスで観測されたケイ酸塩吸収の深さを再現できない理由は何か？

主な発見

• 均一なダストモデルでは、赤道面に沿って観測しても、中赤外発光の大部分が内側のホッソリに集中しており、ダストの層化が不可欠であることを示している。
• 粒子サイズおよび組成に応じた異なる昇華半径を組み込むことで、9.7 μmのケイ酸塩発光特徴が顕著に抑制され、単一の平均粒子モデルを用いたモデルよりも観測とよく一致する。
• ダスト特性の変化を考慮することで、本モデルはタイプIおよびタイプIIAGNの平均SEDを成功裏にフィットし、従来の均一モデルを改善している。
• NGC 1068では、最も高温のダストが昇華温度に達しており、VLTI観測で示された中央成分が800 Kより高温であることに整合的である。
• 低放射出力のAGNであるCircinusでは、最大ダスト温度が1000 K未満に留まり、高放射出力のAGNに比べて内側トーラスが冷たい条件にあることが示唆されている。
• モデルがMIDI相関フラックスデータにおける深いケイ酸塩吸収を再現できないことから、やや浅い温度勾配を必要とし、おそらくクラスタ構造のダストや放射の非等方的性の修正が必要である可能性がある。