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

Sintesi Tecnica: Polarimetria Multibanda ALMA di 3C 273

Problema e Motivazione
L'archetipico quasar 3C 273 esibisce un'estrema rotazione di Faraday nel suo nucleo, precedentemente rilevata da Hovatta et al. (2019, da qui in avanti H19) nell'intervallo della Banda 6 di ALMA (1,3 mm). Tuttavia, la limitata copertura delle lunghezze d'onda di quello studio a banda singola ha impedito una distinzione definitiva tra due scenari fisici concorrenti: (1) la presenza di molteplici componenti polarizzate, ciascuna soggetta a una distinta rotazione di Faraday, o (2) rotazione di Faraday interna, dove il jet ruota la propria emissione polarizzata. Inoltre, le precedenti limitazioni nella calibrazione della polarizzazione di ALMA hanno limitato l'analisi al terzo interno del beam primario, lasciando la struttura di polarizzazione del jet su scala kiloparsec non caratterizzata alle lunghezze d'onda millimetriche. Questo studio affronta tali lacune utilizzando dati ALMA multibanda per modellare lo schermo di Faraday nucleare e per mappare l'evoluzione del campo magnetico lungo il jet su scala kiloparsec.

Metodologia
Gli autori hanno utilizzato osservazioni complete di polarizzazione da ALMA del Ciclo 6 (Progetto 2018.1.00357.S) condotte nel novembre 2018 attraverso tre bande: Banda 4 (145 GHz), Banda 6 (230 GHz) e Banda 7 (~345 GHz).

• Configurazione Osservativa: Sono stati eseguiti due puntamenti separati in ogni banda: uno centrato sul nucleo e un altro sul luminoso hotspot H2 su scala kiloparsec (~21,3" di distanza).
• Calibrazione: La calibrazione standard è stata eseguita utilizzando 3C 279 come calibratore di bandpass/polarizzazione. Sono state applicate modifiche specifiche alle Bande 6 e 7 per correggere pendenze irrealistiche della polarizzazione strumentale (termini D) e salti dell'angolo di posizione del vettore elettrico (EVPA) tra le finestre spettrali. Ciò ha comportato l'adozione di un approccio tipo Event Horizon Telescope (EHT), impostando modelli di polarizzazione indipendenti per ogni finestra spettrale e applicando una calibrazione di self-bandpass utilizzando la sorgente target stessa.
• Analisi Nucleare: I parametri di Stokes per il core non risolto sono stati estratti utilizzando UVMULTIFIT con simulazioni Monte Carlo per quantificare le incertezze. La dipendenza dalla lunghezza d'onda della polarizzazione è stata modellata tramite QU-fitting nel piano complesso, testando quattro modelli parametrici: una singola componente Faraday-thin (S), una singola componente di depolarizzazione inversa (Tinv), due componenti Faraday-thin (S2) e due componenti dispersive esterne (T2). La selezione del modello si è basata sull'evidenza Bayesiana ($\ln Z$) e sul $\chi^2$ ridotto.
• Analisi del Jet: Sono state generate mappe di intensità totale e polarizzazione per il jet su scala kiloparsec. Le mappe dell'indice spettrale sono state create fitando l'intensità totale rispetto alla frequenza attraverso tutte le 12 finestre spettrali. I vettori EVPA sono stati analizzati per determinare la topologia del campo magnetico.

Risultati Chiave

1. Struttura di Polarizzazione Nucleare:

   • I dati nucleari sono meglio descritti dal modello a due componenti di dispersione esterna (T2), che è decisamente favorito rispetto ai modelli a componente singola o a due componenti Faraday-thin in base all'evidenza Bayesiana ($\Delta \ln Z \approx 140$).
   • La soluzione con il miglior fit rivela due componenti polarizzate distinte:
     • Componente 1: Una componente ad alto Rotation Measure (RM) con $RM_1 = +(2,58 \pm 0,08) \times 10^5$ rad m$^{-2}$ e una dispersione di Faraday comparabile ($\sigma_{RM,1} \approx 2,36 \times 10^5$ rad m$^{-2}$).
     • Componente 2: Una componente con RM moderato di $RM_2 = +(1,48 \pm 0,18) \times 10^4$ rad m$^{-2}$ e dispersione significativamente inferiore.
   • Variabilità: Il confronto con epoche precedenti (H19 e Goddi et al. 2021) rivela una significativa variabilità nell'angolo di polarizzazione e nel RM su scale temporali di settimane o mesi. I dati del 2018 mostrano un angolo di polarizzazione quasi piatto attraverso la Banda 6, contrastando con la rotazione accentuata osservata nel 2016/2017.

2. Polarizzazione del Jet su Scala Kiloparsec:

   • La struttura della polarizzazione alle lunghezze d'onda millimetriche somiglia strettamente a quella osservata alle lunghezze d'onda centimetriche.
   • Topologia del Campo Magnetico: Il campo magnetico è prevalentemente parallelo alla direzione del jet nelle regioni esterne. Vicino al hotspot più luminoso (H2), il campo nel jet interno diventa perpendicolare all'asse del jet, mentre ai bordi del jet, il campo si allinea parallelamente ai bordi. Questa struttura circonferrenziale suggerisce la compressione e il taglio (shearing) di un campo magnetico aggrovigliato al fronte d'urto.
   • Indice Spettrale: L'indice spettrale è generalmente ripido ($\alpha \approx -0,9$), diventando ancora più ripido all'hotspot, il che indica perdite di sincrotrone severe. Non è stata rilevata alcuna rotazione di Faraday significativa nel jet ($RM \approx 0$), il che è coerente con le alte frequenze dove gli effetti di Faraday sono trascurabili.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che la copertura multibanda è stata essenziale per distinguere tra i modelli di rotazione di Faraday, escludendo lo scenario di rotazione interna a componente singola che non poteva essere escluso con i dati a banda singola. Il rilevamento di uno schermo di Faraday a più componenti e variabile nel tempo nel nucleo suggerisce un ambiente complesso, denso e magnetizzato vicino alla base del jet.

Gli autori sottolineano che, sebbene l'alta componente RM sia probabilmente associata alla base del jet (entro $\sim 10 r_g$), i dati attuali non possono risolvere spazialmente queste componenti. Di conseguenza, il lavoro conclude che la futura polarimetria millimetrica spazialmente risolta, specificamente con l'Event Horizon Telescope (EHT), è cruciale per dissezionare queste componenti e localizzare direttamente la regione di emissione ad alto RM. Lo studio rinforza inoltre la connessione tra la variabilità della polarizzazione nucleare e l'emissione collimata (beamed) del jet su scala parsec, evidenziando la natura dinamica della regione di lancio del jet in 3C 273.