[논문 리뷰] Modeling optical and UV polarization of AGNs I. Imprints of individual scattering regions

R. W. Goosmann, C. M. Gaskell|arXiv (Cornell University)|2005. 07. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 71인용 수 62

한 줄 요약

이 논문은 자유전자 및 먼지 입자가 다양한 기하학적 구조에서 산란하는 것을 시뮬레이션함으로써 AGN의 광학 및 UV 편광을 모델링하기 위해 새로운 몬테카를로 복사전달 코드인 Stokes를 소개한다. 이는 먼지 토러스의 터널 모양이 편광에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견한다: 밀도가 높고 경사진 내부 표면을 가진 밀집된 토러스는 유형-2 관측 각도에서 더 높은 편광을 유도하며, 반경각이 53°에서 60°로 증가함에 따라 편광 방향이 대칭축에 수직에서 평행으로 바뀐다. 또한 파장에 독립적인 편광이 먼지 산란을 배제하지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 산란 영역 기하학, 특히 먼지 토러스와 전자 산란 원뿔이 AGN의 편광에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• AGN에서 파장에 독립적인 광학 및 자외 편광이 반드시 전자 산란을 의미하는지, 아니면 먼지 산란이 유사한 신호를 생성할 수 있는지 판단하기 위해.
• 통일 모델의 예측을 검증하기 위해 다양한 관측 각도와 토러스 기하학에서 AGN의 편광 반응을 모델링하기 위해.
• 관측된 편광도와 편광 방향각을 생성하는 데 있어 광학적 두께와 기하학의 역할을 정량화하기 위해.
• 토러스, 원뿔, 디스크와 같은 개별 산란 성분이 AGN에서 관측된 순수 편광에 기여하는 상대적 기여도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 자유전자 및 먼지 입자에서의 산란로부터 유도된 편광을 시뮬레이션하기 위해 공개된 몬테카를로 복사전달 코드인 Stokes의 개발 및 적용.
• 균일 밀도 토러스(다양한 반경각 θ₀), 편평한 디스크, 원추형 산란 영역을 포함한 이상화된 기하학에서의 산란 모델링.
• 광학 범위에서 자외선까지 넓은 파장 범위에서 편광된 복사량과 편광도를 시뮬레이션하며, 파장 의존성과 방향각 변화에 주의를 기울임.
• 토러스의 광학적 두께, 반경각, 관측 기울기를 체계적으로 변화시켜 그들이 편광 특성에 미치는 영향을 평가.
• 특히 NGC 1068와 시프트 별 은하의 스펙트로편광 관측 제약 조건과 결과를 비교.
• 토러스, 원뿔, 디스크와 같은 다중 산란 성분을 일관되게 모델링하여 그들이 순수 편광을 형성하는 데 상호작용하는 방식을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 반경각과 밀집도를 고려할 때, 먼지 토러스의 기하학이 AGN의 편광도와 편광 방향각에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 먼지 산란만으로도 파장에 독립적인 광학 및 자외 편광을 생성할 수 있는가, 아니면 관측 결과를 설명하기 위해 전자 산란이 필수적인가?
• RQ3 토러스가 극 산란 원뿔과 같은 다른 산란 영역에 들어오는 복사 에너지를 어떻게 콘두이팅하는가?
• RQ4 면상(유형-1)과 가장면(유형-2) 관측 기하학에서 전자 산란 원뿔의 편광 특성은 어떻게 다른가?
• RQ5 관측된 AGN의 편광이 산란 매질의 광학적 두께와 기하학에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• 균일 밀도 토러스에서 편광도는 0%에서 20% 사이를 범위로 하며, 가장 높은 값은 내부 표면이 급격히 기울어진 밀집된 토러스에서 관측된다.
• 반경각 θ₀ < 53°일 경우 편광 벡터는 대칭축에 수직이며, θ₀ > 60°일 경우 평행하다. 53° < θ₀ < 60° 범위에서는 유형-2 관측 각도에서 둘 다 나타난다.
• 토러스의 편광 스펙트럼은 거의 파장에 독립적이며, 이는 AGN에서의 파장에 독립적인 편광이 반드시 전자 산란을 의미하지는 않음을 시사한다.
• 토러스에서 유형-2 관측 각도에서의 편광된 복사량은 약하지만, 그 콘두이팅된 복사는 후속 산란 영역의 편광에 상당한 영향을 미친다.
• 전자 산란 원뿔은 모든 관측 각도에서 강한 수직 편광을 유도하며, 광학적 두께가 낮을 경우(0.1~0.3 정도) 기하학에 관계없이 편광 특성이 민감하지 않다.
• 모델은 시프트-2 은하의 순수 편광도가 빛의 세기가 증가함에 따라 감소하며, 편광도가 열적 적외선 복사 강도의 상대적 크기와 상관관계가 있음을 예측한다.