[论文解读] 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 134

一句话总结

本文提出了一种3D蒙特卡洛辐射转移模型，用于研究活动星系核（AGN）尘埃环的双相致密介质结构，该结构由高密度团块和低密度团间介质组成。结果表明，双相结构能自然再现观测中常见的近红外发射缺失现象，解决了仅含团块模型的关键缺陷，同时在不同参数下，硅酸盐特征强度在光滑、团块和双相配置中保持一致。

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.

研究动机与目标

• 为解决当前团块AGN环模型中持续存在的近红外发射缺失问题，该问题与观测的SED相矛盾。
• 研究尘埃分布——特别是团块与低密度团间介质组成的双相介质——对红外SED和硅酸盐特征的影响。
• 在相同全局参数下，比较双相模型与仅含团块和光滑尘埃分布的红外发射特性。
• 确定双相模型是否能自然解释观测到的AGN中硅酸盐特征强度以及近红外和中红外SED形状。
• 探讨团块尺寸、光学深度和空间排列对出射SED和硅酸盐特征形态的影响。

提出的方法

• 本研究采用3D蒙特卡洛辐射转移代码（SKIRT）模拟几何厚、轴对称的尘埃环中的辐射转移。
• 环被建模为双相介质：基于流体动力学模拟预测，密集、光学厚的团块嵌入在低密度的团间介质中。
• 生成一个模型网格，包含不同的团块尺寸（σ = 12.5 或 100 pc）、光学深度以及径向/极向密度分布（p, q参数），并采用随机团块分布。
• 对于每个双相模型，创建具有相同全局质量、光度和径向密度分布的对应团块-only模型和光滑尘埃模型。
• 在多个波长下计算SED和图像，并分析不同模型类型下的硅酸盐特征强度和近红外发射。
• 通过比较不同倾角和参数集下的模型，分离尘埃分布和团块形态的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 将尘埃环建模为双相介质（团块加团间介质）是否能解决仅含团块模型中观测到的近红外发射缺失问题？
• RQ2 团块尺寸、光学深度和空间排列如何影响近红外和中红外SED形状以及硅酸盐特征？
• RQ3 双相模型能否再现AGN中观测到的硅酸盐特征强度全范围，包括发射和吸收特征？
• RQ4 团块模型中硅酸盐特征的抑制是否为稳健特征，还是依赖于特定的尘埃分布参数？
• RQ5 与仅含团块的模型相比，低密度团间介质的引入如何影响近红外通量？

主要发现

• 与仅含团块的模型相比，双相模型显著增强了近红外发射，解决了与观测SED之间的关键差异。
• 团块尺寸较小（σ = 100 pc）的团块模型产生的SED和硅酸盐特征与光滑尘埃模型非常相似，表现为浅的硅酸盐吸收和近红外发射减少。
• 团块尺寸较大（σ = 12.5 pc）时，差异更加明显：硅酸盐发射深度降低，且与光滑模型相比，近红外通量进一步被抑制。
• 团块模型中的硅酸盐特征强度并非系统性地被抑制；其强弱强烈依赖于团块尺寸、光学深度以及径向/极向密度分布（p, q）。
• 径向密度非恒定（p=1）且极向密度恒定（q=0）的模型表现出最强的硅酸盐抑制，但随着q值增加，该效应减弱或消失。
• 光滑尘埃模型能够再现与双相和团块-only模型相同的硅酸盐特征强度范围，表明仅凭硅酸盐特征强度无法区分不同尘埃分布类型。