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

Sintesi Tecnica: Profili di emissività degli AGN motivati fisicamente e i loro effetti sulle firme di microlensing dei quasar

Problema
Il microlensing dei quasar funge da sonda primaria per le scale fisiche di dimensioni dei flussi di accrescimento su scale di micro-arcosecondi. Tuttavia, esiste una discrepanza persistente tra le dimensioni dei dischi inferite dalle statistiche di microlensing e quelle predette dalla teoria standard del disco di Shakura-Sunyaev (1973), spesso definita come il "problema della dimensione del disco". Questa tensione riflette i risultati delle campagne di mappatura della reverberazione del continuo. Le attuali analisi di microlensing tipicamente modellano la distribuzione della luminosità superficiale della sorgente utilizzando prescrizioni semplificate, come profili gaussiani circolari o modelli standard di disco sottile. Questi approcci spesso trascurano la presenza di strutture estese di emissione del continuo, specificamente l'emissione diffusa del continuo free-bound originata dalla Regione delle Righe Larghe (BLR). Gli autori sostengono che interpretare un quadro di emissione composito (disco compatto + BLR estesa) come un singolo disco compatto introduca bias sistematici nelle dimensioni inferite.

Metodologia
Gli autori costruiscono un quadro fisicamente motivato per quantificare l'impatto dell'emissione diffusa su larga scala sulle firme di microlensing. La metodologia procede in tre fasi:

1. Modellazione del Disco Intrinseco: Gli autori adattano il framework agnsed (Kubota & Done 2018) per generare profili di emissività energeticamente auto-consistenti. Modellano due strutture fiduciarie di flusso di accrescimento:

   • Un disco termico standard di Shakura-Sunyaev (1973).
   • Un disco modificato caratterizzato da una regione di Comptonizzazione calda (corona calda) tra il disco standard esterno e un plasma interno di raggi X.
     Questi modelli utilizzano un profilo di temperatura di Novikov-Thorne (1973) e tengono conto del riscaldamento per irraggiamento X su entrambi i lati del disco. I modelli producono SED (Distribuzioni di Energia Spettrale) complete e mappe di emissività 2D per specifiche bande passanti.

2. Calcolo del Continuo Diffuso della BLR: Utilizzando il codice di fotoionizzazione cloudy (Ferland et al. 2017), gli autori calcolano l'emissione del continuo diffuso free-bound generata dalla BLR. Assumono una geometria biconica con una frazione di copertura $f_c \approx 0.3$ e un equilibrio di fotoionizzazione. L'emissione della BLR è calcolata sulla base della SED ionizzante dei modelli agnsed, assumendo una radiazione isotropa dalla superficie illuminata della BLR.

3. Simulazione di Microlensing e Recupero delle Dimensioni:

   • Mappe di Magnificazione: Gli autori generano mappe di magnificazione nel piano della sorgente utilizzando la tecnica Fast Multipole Method–Inverse Polygon Mapping (FMM–IPM) sia per configurazioni di lente a parità positiva (minimo) che a parità negativa (sella).
   • Convoluzione: Le mappe di emissività 2D (che incorporano sia il disco che la componente BLR) vengono convolute con le mappe di magnificazione per produrre distribuzioni di magnificazione di sorgente estese.
   • Osservazioni Mock: Generano 100 curve di luce mock campionando traiettorie casuali attraverso le mappe di magnificazione, simulando i vincoli osservativi (cadenza, rumore, lacune) basati sul dataset Cosmograil.
   • Inferenza delle Dimensioni: Le dimensioni della sorgente vengono recuperate confrontando le statistiche di variabilità (deviazione standard della magnificazione del microlensing, $\sigma_{\Delta m}$) delle curve di luce mock rispetto a una griglia di raggi di semiluce di prova. Il recupero è eseguito sotto tre diverse assunzioni di modellazione: (1) solo disco standard di Shakura-Sunyaev, (2) solo disco con Comptonizzazione calda, e (3) il modello composito completo Warm Compton + BLR.

Contributi Chiave e Risultati

• Sensibilità del Profilo di Emissività: Lo studio trova che la forma dettagliata del profilo di emissività del disco compatto (termico vs. Comptonizzazione calda) ha solo un effetto di ordine superiore sulla firma del microlensing. Il segnale di microlensing è sensibile principalmente al raggio di semiluce effettivo della sorgente.
• Impatto dell'Emissione Diffusa della BLR: L'inclusione del continuo diffuso della BLR altera significativamente le firme di microlensing. Poiché l'emissione della BLR origina da scale fisicamente più grandi, essa agisce come una componente di smoothing che media la rete di caustiche a piccola scala. Ciò risulta in distribuzioni di magnificazione più strette e ampiezze di variabilità ridotte rispetto ai modelli a solo componente compatta.
• Dipendenza dalla Lunghezza d'Onda: L'entità del bias è fortemente dipendente dalla lunghezza d'onda, dettata dalla frazione di contributo dell'emissione diffusa della BLR alla SED totale nella banda osservata. Nelle bande a bassa energia (es. $\lambda \approx 7500$ Å) dove il contributo della BLR è significativo ($\sim 30\%$), l'effetto di smoothing è pronunciato. Nelle bande ad alta energia (es. $\lambda \approx 1650$ Å) dove il contributo della BLR è minimo ($\sim 1.4\%$), l'effetto è trascurabile.
• Bias Sistematico delle Dimensioni: Quando le curve di luce mock generate da un modello composito (disco + BLR) vengono analizzate utilizzando prescrizioni di sorgente a solo componente compatta, il raggio di semiluce inferito sovrastima sistematicamente la vera dimensione del disco compatto. La dimensione recuperata tende verso il raggio di semiluce effettivo della sorgente composita.
• Meccanismo del Bias: Gli autori chiariscono che questo bias non è una semplice media pesata sul flusso dei raggi del disco e della BLR; invece, nel regime ottico/UV in cui la frazione di flusso della BLR è inferiore al 50%, la dimensione inferita è determinata dal raggio necessario per racchiudere metà del totale (disco + BLR) del flusso. Poiché la BLR aggiunge flusso senza contribuire significativamente all'emissione compatta interna, il raggio necessario per racchiudere il 50% del flusso totale si sposta verso l'esterno, portando a un apparente aumento delle dimensioni.

Significatività
L'articolo conclude che una parte del "problema della dimensione del disco" — ovvero l'eccesso sistematico nelle dimensioni del disco di accrescimento inferite dal microlensing — deriva probabilmente dall'interpretazione dell'emissione composita disco+BLR come emissione di un singolo disco di accrescimento compatto. Trascurando l'estesa emissione continua diffusa della BLR, le analisi standard di microlensing misurano effettivamente una dimensione "effettiva" che è maggiore della vera dimensione del disco compatto. Questa scoperta fornisce una spiegazione fisica per la tensione dimensionale osservata sia nel microlensing che nella mappatura della reverberazione del continuo, suggerendo che la discrepanza non sia necessariamente un fallimento della teoria standard del disco, ma piuttosto una conseguenza di una modellazione della sorgente incompleta che omette le regioni di rielaborazione estese. Gli autori sottolineano che i loro risultati sono di portata modesta, dimostrando il bias attraverso modelli fisicamente motivati piuttosto che pretendere di risolvere tutte le tensioni osservative, ma stabiliscono che la frazione di contributo dell'emissione diffusa è un parametro critico nell'inferenza delle dimensioni.