Physically motivated AGN emissivity profiles and their effects on quasar microlensing signatures. 1. Multi-epoch accretion disc size inference

Resumen Técnico: Perfiles de emisividad de AGN motivados físicamente y sus efectos en las firmas de microlente de cuásares

Planteamiento del problema
El microlente de cuásares sirve como una sonda primaria para las escalas de tamaño físico de los flujos de acreción en escalas de micro-arcosegundos. Sin embargo, existe una discrepancia persistente entre los tamaños de los discos inferidos mediante estadísticas de microlente y los predichos por la teoría estándar de discos de Shakura-Sunyaev (1973), a menudo referida como el "problema del tamaño del disco". Esta tensión refleja los hallazgos en las campañas de mapeo de reverberación del continuo. Los análisis actuales de microlente suelen modelar la distribución de brillo superficial de la fuente utilizando prescripciones simplificadas, tales como perfiles gaussianos circulares o modelos de discos delgados estándar. Estos enfoques suelen omitir la presencia de estructuras extendidas de emisión de continuo, específicamente la emisión de continuo difuso de recombinación (free-bound) originada por la Región de Líneas Anchas (BLR). Los autores postulan que interpretar una imagen de emisión compuesta (disco compacto + BLR extendida) como un único disco compacto introduce sesgos sistemáticos en los tamaños de fuente inferidos.

Metodología
Los autores construyen un marco motivado físicamente para cuantificar el impacto de la emisión difusa de gran escala en las firmas de microlente. La metodología procede en tres etapas:

1. Modelado intrínseco del disco: Los autores adaptan el marco agnsed (Kubota & Done 2018) para generar perfiles de emisividad energéticamente consistentes. Modelan dos estructuras de flujo de acreción fiduciales:

   • Un disco térmico estándar de Shakura-Sunyaev (1973).
   • Un disco modificado que presenta una región de Comptonización cálida (corona cálida) entre el disco térmico exterior y un plasma interno de rayos X calientes.
     Estos modelos utilizan un perfil de temperatura de Novikov-Thorne (1973) y contabilizan el calentamiento por irradiación de rayos X en ambos lados del disco. Los modelos producen SEDs (Distribuciones Espectrales de Energía) completas y mapas de emisividad 2D para bandas de paso específicas.

2. Cálculo del continuo difuso de la BLR: Utilizando el código de fotoionización cloudy (Ferland et al. 2017), los autores computan la emisión de continuo difuso de recombinación generada por la BLR. Asumen una geometría bicónica con una fracción de cobertura de $f_c \approx 0.3$ y equilibrio de fotoionización. La emisión de la BLR se calcula basándose en la SED ionizante de los modelos agnsed, asumiendo radiación isotrópica desde la superficie iluminada de la BLR.

3. Simulación de microlente y recuperación de tamaño:

   • Mapas de magnificación: Los autores generan mapas de magnificación en el plano de la fuente utilizando la técnica de Mapeo de Polígonos Inversos de Método de Multipolo Rápido (FMM–IPM) tanto para configuraciones de lente de paridad positiva (mínimo) como de paridad negativa (silla de montar).
   • Convolución: Los mapas de emisividad 2D (que incorporan tanto el componente de disco como el de la BLR) se conlucionan con los mapas de magnificación para producir distribuciones de magnificación de fuente extendida.
   • Observaciones simuladas: Generan 100 curvas de luz de microlente simuladas mediante el muestreo de trayectorias aleatorias a través de los mapas de magnificación, simulando restricciones observacionales (cadencia, ruido, brechas) basadas en el conjunto de datos de Cosmograil.
   • Inferencia de tamaño: Se recuperan los tamaños de las fuentes comparando las estadísticas de variabilidad (desviación estándar de la magnificación de microlente, $\sigma_{\Delta m}$) de las curvas de luz simuladas contra una rejilla de radios de semiluz de prueba. La recuperación se realiza bajo tres supuestos de modelado diferentes: (1) solo disco Shakura-Sunyaev estándar, (2) solo disco con Comptonización cálida, y (3) el modelo completo compuesto de Comptonización cálida + BLR.

Contribuciones clave y resultados

• Sensibilidad del perfil de emisividad: El estudio encuentra que la forma detallada del perfil de emisividad del disco compacto (térmico vs. Comptonización cálida) tiene solo un efecto de orden superior en el perfil de microlente. La señal de microlente es sensible primordialmente al radio de semiluz efectivo de la fuente.
• Impacto de la emisión difusa de la BLR: La inclusión del continuo difuso de la BLR altera significativamente las firmas de microlente. Debido a que la emisión de la BLR se origina en escalas físicamente más grandes, actúa como un componente de suavizado que promedia la red de cáusticas de pequeña escala. Esto resulta en distribuciones de magnificación más estrechas y amplitudes de variabilidad reducidas en comparación con los modelos de solo disco compacto.
• Dependencia de la longitud de onda: La magnitud del sesgo es fuertemente dependiente de la longitud de onda, dictada por la contribución fraccional de la emisión difusa de la BLR a la SED total en la banda observada. En bandas de baja energía (por ejemplo, $\lambda \approx 7500$ Å) donde la contribución de la BLR es significativa ($\sim 30\%$), el efecto de suavizado es pronunciado. En bandas de alta energía (por ejemplo, $\lambda \approx 1650$ Å) donde la contribución de la BLR es mínima ($\sim 1.4\%$), el efecto es insignificante.
• Sesgo sistemático de tamaño: Cuando las curvas de luz simuladas generadas a partir de un modelo compuesto (disco + BLR) se analizan utilizando prescripciones de fuente de solo disco compacto, el radio de semiluz inferido sobreestima sistemáticamente el tamaño real del disco compacto. El tamaño recuperado tiende hacia el radio de semiluz efectivo de la fuente compuesta.
• Mecanismo del sesgo: Los autores aclaran que este sesgo no es un simple promedio ponderado por flujo de los radios del disco y la BLR; en su lugar, en el régimen óptico/UV donde la fracción de flujo de la BLR es menor al 50%, el tamaño inferido está determinado por el radio requerido para encerrar la mitad del flujo total (disco + BLR). Dado que la BLR añade flujo sin contribuir significativamente a la emisión compacta interna, el radio requerido para encerrar el 50% del flujo total se desplaza hacia afuera, provocando un aumento aparente de tamaño.

Significancia
El artículo concluye que una parte del "problema del tamaño del disco" —el exceso sistemático en los tamaños de disco de acreción inferidos por microlente— probablemente surge de interpretar la emisión compuesta de disco + BLR como la emisión de un único disco de acreción compacto. Al omitir el continuo difuso extendido de la BLR, los análisis de microlente estándar miden efectivamente un tamaño "efectivo" que es mayor que el tamaño real del disco compacto. Este hallazgo proporciona una explicación física para la tensión de tamaño observada tanto en microlente como en el mapeo de reverberación del continuo, sugiriendo que la discrepancia no es necesariamente un fallo de la teoría estándar de discos, sino una consecuencia de un modelado de fuente incompleto que omite regiones de reprocesamiento extendidas. Los autores enfatizan que sus resultados son de alcance modesto, demostrando el sesgo a través de modelos motivados físicamente en lugar de pretender resolver todas las tensiones observacionales, pero establecen que la contribución fraccional de la emisión difusa es un parámetro crítico en la inferencia de tamaño.