활성은하 제트의 자기장 구조: 유한 해상도 효과 분석

적외파 주파수에서 활동은하(AGN)의 제트는 감마선 공명 방사선을 방출하며, 이 방사선은 광학적으로 얇은 영역에서 상당한 선형 편광을 특징으로 합니다. 편광 평면은 제트 자기장의 평면과 수직하게 배열됩니다. 이러한 편광 구조는 제트 내 자기장 구조에 대한 정보를 제공하며, 이는 제트의 진화, 방출 특성 및 안정성에 영향을 미칩니다. 또한, 자기장 구조에 대한 이해는 관찰된 라디오 이미지로부터 제트의 본질적인 구조와 제트 내에서 일어나는 물리적 과정을 정확하게 추론하는 데 중요합니다. 그러나 많은 관측 노력에도 불구하고 AGN의 자기장 구조의 본질은 여전히 부분적으로만 이해되고 있습니다.

여러 관측 결과는 제트 내 자기장이 파섹 규모로 상당한 나선 성분을 가질 수 있음을 시사합니다.

첫째, 완벽한 원형 대칭을 가진 제트에서 나선 자기장은 하늘 평면에 자기장 벡터를 병행하거나 직교하게 투영하며, 이는 자주 관찰됩니다 [1, 2]. 둘째, 많은 파섹 규모 제트는 총 강도 및 편광 프로필의 명백한 비대칭성을 보여주며, 이는 헬릭스 필드 시뮬레이션에서 드러나는 것과 유사한 형태입니다 [2, 3]. 셋째, 여러 VLBI 제트에서 전방 페라이드 회전 기울기가 존재하며, 이는 제트 근처의 나선 자기장에 의해 설명될 수 있습니다 [4].

이러한 관측 결과는 모두 관찰에 사용된 해상도에 영향을 받습니다. 이러한 결과를 잠재적인 헬릭스 자기장이 AGN 제트를 감싸는 지표로 사용하기 위해서는 유한 해상도의 영향이 고려되어야 합니다.

유한 해상도의 영향을 조사하기 위해, 단순한 나선 필드 모델을 사용하여 무한 해상도 강도(I) 및 편광(P) 프로필을 생성하고 다양한 빔으로 합성했습니다. 이 모델은 제트 내 일정한 피치 각도와 균일한 플럭스 밀도를 가진 나선 B장을 가정하며, 헬릭스 피치 각(γ)과 관찰 각(δ)에 따른 I와 P 분포를 예측할 수 있습니다 [2, 3, 5]. γ와 δ는 모두 제트의 휴식 프레임에서 측정됩니다.

그림 1은 다양한 δ와 γ 값에 대한 예상되는 비대칭 강도와 편광 구조를 보여줍니다.

가우스 빔으로 I 및 P 횡단 면 프로필에 미치는 영향을 예로 들어보면 그림 2와 3을 참조하십시오. 그림 2(왼쪽)는 무한 해상도 I 및 P 프로필입니다. 그림 3은 가우스 빔으로 합성된 결과로, 빠른 강도 프로필의 비대칭 감소와 비교적으로 느린 편광 프로필의 비대칭 감소를 보여줍니다.

편광 프로필에 미치는 주요 영향 중 하나는 관측되는 편광 구성을 변경하는 것입니다. 이 예시에서는 원래 ‘줄기와 껍질’ 구조가 관찰되었습니다. 즉, 장축 편광이 있는 줄기와 횡단 편광이 있는 껍질(그림 2)이었습니다. 빔 폭이 원본 제트 폭의 0.2배인 경우, 강도 프로필은 약간 비대칭적이지만, ‘줄기와 껍질’ 구조는 여전히 명확하게 관찰됩니다(그림 3 상단 왼쪽). 빔 폭이 제트 폭의 0.6배일 때, 강도 프로필은 매우 대칭적이 되고 한 개의 껍질은 더 이상 관찰되지 않습니다(그림 3 상단 오른쪽). 이 경우 P 프로필은 한쪽은 장축 편광이고 다른 쪽은 횡단 편광입니다. 빔 폭이 제트 폭의 1.4배일 때, 장축 ‘줄기’는 매우 약해집니다(그림 3 하단 왼쪽). 마지막으로, 빔 폭이 제트 폭과 동일할 경우, 한쪽 측면으로만 장축 편광이 관찰됩니다(그림 3 하단 오른쪽).

그러나, 심지어 가장 큰 빔 폭에서도 일부 편광 신호는 여전히 남아있어, AGN 제트의 자기장 구조에 대한 연구는 계속되어야 합니다.

전문 한국어 번역

대단히 큰 빔을 사용하는 경우(마지막 예시와 같이), 최대 편광 강도의 위치는 여전히 총 강도 최대 위치와 명확하게 어긋납니다. 따라서 관찰된 수직 P 구조는 AGN 제트의 헬릭스 자기장을 통과한다는 사실을 반영할 수 있습니다. 하지만 이 경우에는 관찰 이미지를 기반으로 γ과 δ의 정확한 값을 결정하는 것이 불가능합니다.

파라데이 회전(Faraday Rotation)은 전자기파가 전하를 띤 플라즈마와 자기장을 가진 영역 통과할 때 발생합니다. 파라데이 회전은 전자기파의 편광을 회전시킵니다. 이는 좌회전 원편광 성분과 우회전 원편광 성분이 서로 다른 굴절률을 가지기 때문입니다. 여기서 χ는 관찰된 편광 각도, χ₀는 방출된 편광 각도, λ는 파장, RM는 회전 측정값(Rotation Measure)을 나타냅니다. 회전 측정값은 다음과 같이 계산됩니다:

여기서 e는 기본 전하, ε₀는 진공에서의 유전율, mₑ는 전자 질량, nₑ는 플라즈마 내 전자 밀도, B는 플라즈마 내 자기장 세기입니다. 헬릭스 B장이 제트를 통과한다면, 제트 전반에 걸쳐 -→ B • -→ dl이 체계적으로 변화하기 때문에 수직 RM 기울기를 관찰할 것으로 예상됩니다.[4]

분해능의 영향이 유한한 경우의 RM 기울기 관찰 효과를 분석하기 위해, 헬릭스 필드 모델로 계산된 RM 기울기의 영향을 무한 분해능 제트에 적용했습니다. 그 후, 결과적으로 얻은 Q와 U 프로파일을 다양한 빔으로 복원하고, 이러한 복원된 Q와 U 프로파일에서 RM 프로파일을 결정했습니다. 원래 적용된 RM 기울기는 250에서 750 rad/m² 범위였으며, 기울기 5의 경사를 가졌습니다(그림 2). 그림 4는 그림 3과 동일한 빔으로 복원된 관찰 RM 기울기를 보여줍니다. 복원은 관찰된 파라데이 RMs의 값에 큰 변화를 주지만, 헬릭스 필드가 생성한 RM 기울기를 파괴하지는 않습니다. 이는 빔 크기에 상관없이 수직 RM 기울기가 여전히 관찰될 수 있음을 의미합니다.

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…