Multiband ALMA polarimetry of the jet base and kiloparsec-scale jet of 3C 273: A multicomponent Faraday structure in the nucleus

Resumen Técnico: Polarimetría de Banda Múltiple de ALMA de 3C 273

Problema y Motivación
El cuásar arquetípico 3C 273 exhibe una rotación de Faraday extrema en su núcleo, detectada previamente por Hovata et al. (2019, de aquí en adelante H19) dentro del rango de la Banda 6 de ALMA (1.3 mm). Sin embargo, la limitada cobertura de longitud de onda de ese estudio de banda única impidió una distinción definitiva entre dos escenarios físicos en competencia: (1) la presencia de múltiples componentes polarizados, cada uno experimentando una rotación de Faraday distinta, o (2) rotación de Faraday interna, donde el chorro (jet) rota su propia emisión polarizada. Además, las limitaciones previas de calibración de la polarización de ALMA restringieron el análisis al tercio interno del haz primario, dejando la estructura de polarización del chorro a escala de kiloparsec sin caracterizar en longitudes de onda milimétricas. Este estudio aborda estas brechas utilizando datos de banda múltiple de ALMA para modelar la pantalla de Faraday nuclear y para mapear la evolución del campo magnético a lo largo del chorro a escala de kiloparsec.

Metodología
Los autores utilizaron observaciones de polarización completa de ALMA del Ciclo 6 (Proyecto 2018.1.00357.S) realizadas en noviembre de 2018 en tres bandas: Banda 4 (145 GHz), Banda 6 (230 GHz) y Banda 7 (~345 GHz).

• Configuración Observacional: Se ejecutaron dos apuntamientos separados en cada banda: uno centrado en el núcleo y otro en el brillante punto caliente (hotspot) de escala kiloparsec H2 (~21.3" de distancia).
• Calibración: Se realizó la calibración estándar utilizando 3C 279 como el calibrador de paso de banda/polarización. Se aplicaron modificaciones específicas a las Bandas 6 y 7 para corregir pendientes de polarización instrumental (términos D) no realistas y saltos en el ángulo de posición del vector eléctrico (EVPA) entre ventanas espectrales. Esto implicó adoptar un enfoque del Event Horizon Telescope (EHT) de establecer modelos de polarización de forma independiente por ventana espectral y aplicar una autocalibración de paso de banda utilizando la propia fuente objetivo.
• Análisis Nuclear: Los parámetros de Stokes para el núcleo no resuelto se extrajeron mediante UVMULTIFIT con simulaciones de Monte Carlo para cuantificar las incertidumbres. La dependencia de la longitud de onda de la polarización se modeló mediante el ajuste QU en el plano complejo, probando cuatro modelos paramétricos: un componente único de Faraday-delgado (S), un componente de despolarización inversa único (Tinv), dos componentes Faraday-delgados (S2) y dos componentes dispersivos externos (T2). La selección del modelo se basó en la evidencia bayesiana ($\ln Z$) y el $\chi^2$ reducido.
• Análisis del Jet: Se generaron mapas de intensidad total y polarización para el chorro a escala de kiloparsec. Se crearon mapas de índice espectral ajustando la intensidad total contra la frecuencia a través de las 12 ventanas espectrales. Los vectores de EVPA se analizaron para determinar la topología del campo magnético.

Resultados Clave

1. Estructura de Polarización Nuclear:

   • Los datos nucleares se ajustan mejor al modelo de dispersión externa de dos componentes (T2), el cual es decisivamente favorecido sobre los modelos de un solo componente o de dos componentes Faraday-delgados basándose en la evidencia bayesiana ($\Delta \ln Z \approx 140$).
   • La mejor solución de ajuste revela dos componentes polarizados distintos:
     • Componente 1: Un componente de alta Medida de Rotación (RM) con $RM_1 = +(2.58 \pm 0.08) \times 10^5$ rad m$^{-2}$ y una dispersión de Faraday comparable ($\sigma_{RM,1} \approx 2.36 \times 10^5$ rad m$^{-2}$).
     • Componente 2: Un componente de RM moderada con $RM_2 = +(1.48 \pm 0.18) \times 10^4$ rad m$^{-2}$ y una dispersión significativamente menor.
   • Variabilidad: La comparación con épocas previas (H19 y Goddi et al. 2021) revela una variabilidad significativa en el ángulo de polarización y en la RM en escalas de tiempo de semanas a meses. Los datos de 2018 muestran un ángulo de polarización casi plano a través de la Banda 6, contrastando con la rotación pronunciada vista en 2016/2017.

2. Polarización del Jet a Escala de Kiloparsec:

   • La estructura de polarización en longitudes de onda milimétricas se asemeja estrechamente a la observada en longitudes de onda de centímetros.
   • Topología del Campo Magnético: El campo magnético es predominantemente paralelo a la dirección del chorro en las regiones externas. Cerca del punto caliente más brillante (H2), el campo en el chorro interno se vuelve perpendicular al eje del chorro, mientras que en los bordes del chorro, el campo se alinea paralelo a los bordes. Esta estructura circunferencial sugiere la compresión y el cizallamiento de un campo magnético enredado en el frente de choque.
   • Índice Espectral: El índice espectral es generalmente pronunciado ($\alpha \approx -0.9$), volviéndose más pronunciado en el punto caliente, lo que indica pérdidas de sincrotrón severas. No se detectó rotación de Faraday significativa en el chorro ($RM \approx 0$), lo cual es consistente con las altas frecuencias donde los efectos de Faraday son despreciables.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la cobertura de banda múltiple fue esencial para distinguir entre los modelos de rotación de Faraday, descartando el escenario de rotación interna de un solo componente que no pudo ser excluido con datos de banda única. La detección de una pantalla de Faraday de múltiples componentes y variable en el tiempo en el núcleo sugiere un entorno complejo, denso y magnetizado cerca de la base del chorro.

Los autores enfatizan que, si bien el componente de alta RM probablemente está asociado con la base del chorro (dentro de $\sim 10 r_g$), los datos actuales no pueden resolver espacialmente estos componentes. Por consiguiente, el artículo concluye que la futura polarimetría milimétrica espacialmente resuelta, específicamente con el Event Horizon Telescope (EHT), es crucial para desentrañar estos componentes y localizar directamente la región de emisión de alta RM. El estudio también refuerza la conexión entre la variabilidad de la polarización nuclear y la emisión de haz (beamed emission) del chorro a escala de parsec, resaltando la naturaleza dinámica de la región de lanzamiento del chorro en 3C 273.