[논문 리뷰] Towards a physical model of dust tori in Active Galactic Nuclei - Radiative transfer calculations for a hydrostatic torus model

M. Schartmann, Klaus Meisenheimer외 3명|ArXiv.org|2005. 04. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 52인용 수 91

한 줄 요약

이 논문은 중심 블랙홀과 별 분포에서 기인한 중력력, 관성력, 난류 압력의 힘의 수직 평형을 기반으로 먼지 분포를 유도하여 활성은하핵(AGN) 내 먼지 토러스의 물리적으로 일관된 모델을 제시한다. 3차원 복사전달을 위한 MC3D 코드를 사용하여, 먼지 입자 크기와 조성의 변화—특히 서로 다른 sublimation 반경—이 9.7 μm 실리케이트 특징을 크게 억제하고, 일형 및 이형 AGN의 SED를 정확하게 맞출 수 있음을 보여준다. 또한, NGC 1068와 Circinus의 고해상도 관측에서는 내부 토러스의 온도 구조가 뚜렷하게 다름을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유형 기하학이 아닌 수직 평형 기반의 물리적으로 타당하고 자기 일관성 있는 AGN 먼지 토러스 모델을 개발하기 위해.
• 이전 모델이 균일한 먼지 분포와 동일한 sublimation 반경을 가정하는 데서 비롯하는 한계를 해결하기 위해.
• 실제 먼지 입자 크기와 조성의 계층적 분포를 통합함으로써, 일형 및 이형 AGN의 관측된 중적외선 SED를 향상된 정확도로 맞추기 위해.
• NGC 1068와 Circinus의 고해상도 VLTI/MIDI 관측 결과를 모델링을 통해 내부 토러스의 온도 및 구조를 해석하기 위해.
• 조정 가능한 자유 매개변수 대신 물리적 제약 조건을 적용함으로써 토러스 모델링의 모호성을 줄이기 위해.

제안 방법

• 중앙 블랙홀과 별 분포에서 기인한 중력력, 관성력, 난류 압력의 힘의 수직 평형을 기반으로 3차원 먼지 밀도 분포를 해석적으로 유도한다.
• MC3D 3차원 몬테카를로 복사전달 코드를 사용하여 토러스를 통과하는 복사전달을 시뮬레이션하며, 비등방성 복사 및 먼지 흡수/재방출을 고려한다.
• 단일 평균 입자 모델을 가정하는 대신, 입자 크기와 조성에 따라 다른 sublimation 반경을 가진 다양한 먼지 입자 특성을 통합한다.
• SED 및 간섭계 데이터로부터의 관측 제약 조건을 이용해 핵심 모델 매개변수(예: 먼지 질량, 빛의 강도, 기하학적 형태)를 고정한다.
• 먼지 특성, 질량, 관측 각도를 변화시켜 모델의 강건성과 적합도를 평가하기 위한 매개변수 연구를 수행한다.
• 모델 결과를 NGC 1068와 Circinus의 고해상도 MIDI 간섭계 데이터 및 공개된 SED와 비교하여 예측의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 평형에서 유도된 물리적 먼지 분포가 AGN의 예측 중적외선 SED에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 서로 다른 sublimation 반경을 가진 먼지 입자 크기 및 조성의 계층적 분포가, 균일한 모델 대비 9.7 μm 실리케이트 방출 특징에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 물리적으로 타당한 먼지 특성과 기하학을 고려할 때, 모델이 일형 및 이형 AGN의 관측 SED를 재현할 수 있는가?
• RQ4 고해상도 VLTI/MIDI 관측 결과는 NGC 1068와 Circinus의 내부 토러스 온도 구조와 기하학에 대해 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 표준 균일한 먼지 모델이 간섭계 상관 복사율에서 관측된 깊은 실리케이트 흡수 특징을 재현하지 못하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 균일한 먼지 모델에서 관측된 중적외선 복사가 심지어 등방성 평면에서 볼 때도 내부 터널 영역에 의해 지배되며, 이는 먼지 계층화가 필수적임을 시사한다.
• 다양한 크기와 조성의 먼지 입자에 대해 다른 sublimation 반경을 통합함으로써 9.7 μm 실리케이트 방출 특징이 크게 억제되며, 단일 평균 입자 모델보다 관측 결과와 더 잘 일치한다.
• 먼지 특성의 변화를 고려함으로써 이전의 균일한 모델보다 향상된 성능으로 일형 및 이형 AGN의 평균 SED를 성공적으로 맞춘다.
• NGC 1068의 경우 가장 뜨거운 먼지가 sublimation 온도에 도달하며, VLTI 관측 결과에서 중심 성분이 800 K 이상 뜨겁다는 것과 일치한다.
• 저광도 AGN인 Circinus에서는 최대 먼지 온도가 1000 K 이하에 머물러 있으며, 높은 빛의 강도를 가진 AGN보다 더 차가운 내부 토러스 조건임을 시사한다.
• 모델이 MIDI 상관 복사율 데이터에서 깊은 실리케이트 흡수를 재현하지 못하는 것은 더 얕은 온도 기울기를 필요로 함을 시사하며, 이는 덩어리진 먼지 구조나 수정된 복사 비등방성의 필요성을 암시한다.