[논문 리뷰] Three-dimensional radiative transfer modeling of AGN dusty tori as a clumpy two-phase medium

Marko Stalevski, J. Fritz외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 70인용 수 134

한 줄 요약

이 논문은 3차원 몬테카를로 복사전달 모델을 활용해 은하핵 활동성은(AGN)-dusty torus를 덩어리와 낮은 밀도의 간극 물질로 이루어진 두상태 미디어로 모델링한다. 이는 관측에서 관측된 근적외선 영역의 복사 부족 현상을 자연스럽게 재현하며, 덩어리만으로 구성된 모델의 핵심적 한계를 해결한다. 동시에 다양한 매개변수 하에서 매끄럽고, 덩어리가 있는, 두상태 모델 모두에서 실리케이트 특징 강도가 일관되게 유지됨을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the emission of active galactic nuclei (AGN) dusty tori in the infrared domain. Following theoretical predictions coming from hydrodynamical simulations, we model the dusty torus as a 3D two-phase medium with high-density clumps and low-density medium filling the space between the clumps. Spectral energy distributions (SED) and images of the torus at different wavelengths are obtained using 3D Monte Carlo radiative transfer code SKIRT. Our approach of generating clumpy structure allows us to model tori with single clumps, complex structures of merged clumps or interconnected sponge-like structure. A corresponding set of clumps-only models and models with smooth dust distribution is calculated for comparison. We found that dust distribution, optical depth, clump size and their actual arrangement in the innermost region, all have an impact on the shape of near- and mid-infrared SED. The 10 micron silicate feature can be suppressed for some parameters, but models with smooth dust distribution are also able to produce a wide range of the silicate feature strength. Finally, we find that having the dust distributed in a two-phase medium, might offer a natural solution to the lack of emission in the near-infrared, compared to observed data, which affects clumpy models currently available in the literature.

연구 동기 및 목표

• 현재의 덩어리 모델이 관측된 SED와 모순되는 근적외선 복사 부족 현상을 해결하기 위해.
• 특히 덩어리와 낮은 밀도의 간극 물질로 이루어진 두상태 미디어의 먼지 분포가 적외선 SED와 실리케이트 특징에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 동일한 전반적 매개변수를 가진 두상태 모델, 덩어리만 있는 모델, 매끄러운 먼지 분포 모델 간의 적외선 복사 특성을 비교하기 위해.
• 두상태 모델이 관측된 실리케이트 특징 강도와 근적외선 및 중적외선 SED 형태를 자연스럽게 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• 덩어리 크기, 광학적 두께, 공간적 배열이 탈출하는 SED와 실리케이트 특징 형태에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 연구는 기하학적으로 두꺼운 축대칭 먼지 토루스를 대상으로 3차원 몬테카를로 복사전달 코드(SKIRT)를 사용하여 복사전달을 시뮬레이션한다.
• 토루스는 고밀도로 광학 두께가 두꺼운 덩어리와 낮은 밀도의 간극 물질로 이루어진 두상태 미디어로 모델링되며, 유체역학적 시뮬레이션 예측에 기반한다.
• 다양한 덩어리 크기(σ = 12.5 또는 100 pc), 광학 두께, 반경 및 극방향 밀도 프로파일(p, q 매개변수)을 가진 모델의 격자망을 생성하며, 무작위로 분포된 덩어리들을 사용한다.
• 각 두상태 모델에 대해 동일한 전반적 질량, 빛의 강도, 반경 밀도 프로파일을 가진 덩어리 전용 모델과 매끄러운 먼지 모델을 생성한다.
• 다양한 파장에서 SED와 이미지를 계산하고, 다양한 모델 유형 간에 실리케이트 특징 강도와 근적외선 복사량을 분석한다.
• 기울기 각도와 매개변수 조합에 따라 모델을 비교하여 먼지 분포와 덩어리 형태의 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지 토루스를 덩어리와 간극 물질로 이루어진 두상태 미디어로 모델링할 경우, 덩어리 전용 모델에서 관측된 근적외선 복사 부족 현상을 해결할 수 있는가?
• RQ2 덩어리 크기, 광학 두께, 공간적 배열은 근적외선 및 중적외선 SED 형태와 실리케이트 특징에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 두상태 모델은 AGN에서 관측된 실리케이트 특징 강도의 전 범위를 재현할 수 있는가, 즉 복사와 흡수 모두를 포함하여?
• RQ4 덩어리 모델에서 실리케이트 특징이 억제되는 것은 강건한 특성인가, 아니면 특정 먼지 분포 매개변수에 의존하는가?
• RQ5 낮은 밀도의 간극 물질을 포함함으로써 근적외선 복사량은 덩어리 전용 모델에 비해 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 두상태 모델은 덩어리 전용 모델에 비해 근적외선 복사량을 크게 향상시켜 관측된 SED와의 주요 불일치를 해결한다.
• 작은 덩어리(σ = 100 pc)를 가진 덩어리 모델은 매끄러운 먼지 모델과 매우 유사한 SED와 실리케이트 특징을 생성하며, 얕은 실리케이트 흡수와 함께 근적외선 복사량이 감소한다.
• 더 큰 덩어리(σ = 12.5 pc)는 더 뚜렷한 차이를 보이며, 실리케이트 복사량 감소와 함께 매끄러운 모델 대비 근적외선 복사량이 더욱 억제된다.
• 덩어리 모델에서 실리케이트 특징 강도는 체계적으로 억제되지 않으며, 덩어리 크기, 광학 두께, 반경/극방향 밀도 분포(p, q)에 따라 강하게 영향을 받는다.
• 반경 밀도가 일정하지 않은 경우(p=1)이고 극방향 밀도가 일정한 경우(q=0)에 실리케이트 억제 효과가 가장 강력하지만, q가 증가함에 따라 이 효과는 약화되거나 사라진다.
• 매끄러운 먼지 모델은 두상태 모델과 덩어리 전용 모델과 동일한 실리케이트 특징 강도 범위를 재현할 수 있으므로, 실리케이트 특징 강도만으로는 먼지 분포 유형을 구분할 수 없다.