[論文レビュー] Three-dimensional radiative transfer modeling of AGN dusty tori as a clumpy two-phase medium

Marko Stalevski, J. Fritz+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 134

ひとこと要約

本稿では、高密度クラウドと低密度間クラウド領域を併せ持つクラウド状の二相媒体としてのAGNほこりだき円盤の3次元モンテカルロ放射移動モデルを提示する。この二相構造は、観測で見られる近赤外領域の放射エネルギー欠損を自然に再現でき、クラウドのみのモデルが抱える主な欠陥を解消する。一方、パラメータを変化させても、滑らかで、クラウド状で、二相構造のいずれの配置でも、シリケート特徴の強度は一貫している。

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.

研究の動機と目的

• 現在のクラウド状AGN円盤モデルが観測されたSedと矛盾する、近赤外領域の放射エネルギー欠損という、長年の課題を解決すること。
• 特に、クラウドと低密度間クラウド領域を含む二相媒体としてのほこりの分布が、赤外領域Sedおよびシリケート特徴に与える影響を調査すること。
• 同一の全般的なパラメータを用いた場合、二相モデルの赤外領域放射特性を、クラウドのみおよび滑らかなほこり分布と比較すること。
• 二相モデルが、AGNにおける観測されたシリケート特徴の強度および近赤外・中赤外領域Sedの形状を自然に説明できるかどうかを検証すること。
• クラウドサイズ、光学的厚さ、空間的配置が、放射出力Sedおよびシリケート特徴の形状に与える影響を調査すること。

提案手法

• 研究では、幾何的厚さが大きく、軸対称的なほこりだき円盤を対象として、3次元モンテカルロ放射移動コード（SKIRT）を用いて放射移動をシミュレートする。
• 円盤は、流体力学的シミュレーションの予測に基づき、高密度で光学的厚さの大きなクラウドと、低密度の間クラウド領域を併せ持つ二相媒体としてモデル化される。
• クラウドサイズ（σ = 12.5または100 pc）、光学的厚さ、および径方向／極方向密度分布（p, qパラメータ）を変化させたモデルのグリッドを生成し、ランダムなクラウド配置を採用する。
• 各二相モデルに対して、同一の全質量、全放射出力、および径方向密度分布を持つ、クラウドのみおよび滑らかなほこりモデルをそれぞれ作成する。
• 複数の波長でSedおよび画像を計算し、モデルタイプごとにシリケート特徴の強度と近赤外領域放射を分析する。
• 観測傾斜角やパラメータセットを変化させながら、ほこりの分布およびクラウドの形状が及える影響を分離して比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ほこりだき円盤を、クラウドと間クラウド領域を併せ持つ二相媒体としてモデル化することで、クラウドのみのモデルで見られる近赤外領域の放射エネルギー欠損が解消されるか？
• RQ2 クラウドサイズ、光学的厚さ、空間的配置が、近赤外・中赤外領域Sedの形状およびシリケート特徴に与える影響は？
• RQ3 二相モデルは、AGNで観測されたシリケート特徴の強度の全範囲（放射と吸収の両方を含む）を再現できるか？
• RQ4 クラウドモデルにおけるシリケート特徴の抑制は、一貫した特徴であるのか、それとも特定のほこり分布パラメータに依存するのか？
• RQ5 低密度の間クラウド領域を含めることで、クラウドのみのモデルと比較して近赤外領域の放射フラックスにどのような影響が生じるか？

主な発見

• 二相モデルは、クラウドのみのモデルと比較して、近赤外領域の放射エネルギーを顕著に増強し、観測Sedとの主要な不一致を解消する。
• 小さなクラウド（σ = 100 pc）を有するクラウドモデルは、滑らかなほこりモデルと非常に類似したSedおよびシリケート特徴を示し、浅めのシリケート吸収と近赤外領域の放射エネルギー低減を示す。
• 大きなクラウド（σ = 12.5 pc）では、より顕著な差が生じる：滑らかなモデルと比較して、シリケート放射の深さが減少し、近赤外領域の放射フラックスはさらに抑制される。
• クラウドモデルにおけるシリケート特徴の強度は、一貫して抑制されるわけではない。クラウドサイズ、光学的厚さ、および径方向／極方向密度分布（p, q）に強く依存する。
• 径方向密度が一定でない（p=1）で、極方向密度が一定（q=0）のモデルでは、シリケートの抑制が最も顕著に現れるが、qが増加するにつれてこの効果は弱まる、あるいは消失する。
• 滑らかなほこりモデルは、二相モデルおよびクラウドのみモデルと同等のシリケート特徴の強度範囲を再現でき、シリケート特徴の強度だけでは、ほこり分布のタイプを区別できないことを示している。