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

技術要約：3C 273のマルチバンドALMA偏光観測

問題と動機
典型的なクエーサーである3C 273は、核において極端なファラデー回転を示しており、これはHovattaら（2019年、以下H19）によってALMA Band 6（1.3 mm）の範囲内で既に検出されている。しかし、単一バンドの研究による限られた波長カバレッジでは、(1) 異なるファラデー回転を受ける複数の偏光成分の存在、あるいは (2) ジェットが自身の偏光放射を回転させる内部ファラデー回転、という2つの競合する物理的シナリオを決定的に区別することはできなかった。さらに、従来のALMA偏光較正の制限により、解析はプライマリビームの内側3分の1に限定されており、キロパーセックスケールのジェットの偏光構造はミリ波波長において未解明のままであった。本研究は、マルチバンドALMAデータを利用して核のファラデースクリーンをモデル化し、キロパーセックスケールのジェットに沿った磁場進化をマッピングすることで、これらのギャップに対処するものである。

手法
著者らは、2018年11月に実施されたCycle 6（プロジェクト 2018.1.00357.S）の、3つのバンド（Band 4 [145 GHz], Band 6 [230 GHz], Band 7 [~345 GHz]）にわたるフル偏光ALMA観測を利用した。

• 観測セットアップ： 各バンドにおいて、核を中心とするものと、明るいキロパーセックスケールのホットスポットH2（約21.3"離れた位置）を中心とするものの、2つの独立したポインティングが実行された。
• 較正： バンドパスおよび偏光較正には、3C 279を標準較正源として用いた。Band 6およびBand 7に対しては、非現実的なインストゥルメンタル偏光（D項）のスロープおよびスペクトルウィンドウ間の電場偏角（EVPA）のジャンプを補正するために、特定の修正が適用された。これには、スペクトルウィンドウごとに独立して偏光モデルを設定し、ターゲット源自体を用いて自己バンドパス較正を適用するという、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）の手法を採用することが含まれる。
• 核の解析： 分解されていないコアのストークスパラメータは、不確実性を定量化するためのモンテカルロ・シミュレーションを伴うUVMULTIFITを用いて抽出された。波長依存の偏光は、複素平面上でのQUフィッティングを用いてモデル化され、4つのパラメトリックモデル（単一のファラデー薄成分（S）、単一の逆脱偏光成分（Tinv）、2つのファラデー薄成分（S2）、および2つの外部分散成分（T2））がテストされた。モデル選択は、ベイズ証拠（$\ln Z$）および簡約$\chi^2$に基づいて行われた。
• ジェットの解析： キロパーセックスケールのジェットに対して、全強度および偏光マップが生成された。全12個のスペクトルウィンドウにわたって全強度を周波数に対してフィッティングすることで、スペクトル指数マップが作成された。EVPAベクトルは、磁場トポロジーを決定するために分析された。

主な結果

1. 核の偏光構造：

   • 核のデータは、**2成分外部分散モデル（T2）**によって最も良くフィットし、ベイズ証拠（$\Delta \ln Z \approx 140$）に基づき、単一成分または2成分のファラデー薄モデルよりも決定的に支持された。
   • 最良適合解は、以下の2つの異なる偏光成分を明らかにしている：
     • 成分1： 高い回転尺度（RM）を持つ成分。$RM_1 = +(2.58 \pm 0.08) \times 10^5$ rad m$^{-2}$ であり、同程度のファラデー分散（$\sigma_{RM,1} \approx 2.36 \times 10^5$ rad m$^{-2}$）を持つ。
     • 成分2： 中程度のRMを持つ成分。$RM_2 = +(1.48 \pm 0.18) \times 10^4$ rad m$^{-2}$ であり、分散は著しく低い。
   • 変動性： 過去のエポック（H19およびGoddi et al. 2021）との比較により、数週間から数ヶ月のタイムスケールでの偏角およびRMの顕著な変動が明らかになった。2018年のデータは、2016/2017年で見られた急峻な回転とは対照的に、Band 6全体でほぼ平坦な偏角を示している。

2. キロパーセックスケールのジェット偏光：

   • ミリ波波長の偏光構造は、センチ波波長で観測されるものと酷似している。
   • 磁場トポロジー： 磁場は外縁部において主にジェット方向に平行である。最も明るいホットスポット（H2）付近では、内側ジェットの磁場はジェット軸に対して垂直になるが、ジェットの端では磁場は端に対して平行に並ぶ。この円周状の構造は、衝撃波面におけるもつれた磁場の圧縮と剪断を示唆している。
   • スペクトル指数： スペクトル指数は一般に急峻であり（$\alpha \approx -0.9$）、ホットスポットでさらに急峻になっており、深刻なシンクロトロン損失を示している。ジェット内では有意なファラデー回転は検出されず（$RM \approx 0$）、これはファラデー効果が無視できる高周波数帯域において整合している。

意義と主張
本論文は、マルチバンドのカバレッジが、単一バンドのデータでは排除できなかった単一成分の内部回転シナリオを退け、ファラデー回転モデルを区別するために不可欠であったと主張している。核におけるマルチコンポーネントかつ時間変動するファラデースクリーンの検出は、ジェット基部に近い、複雑で高密度かつ磁化された環境を示唆している。

著者らは、高RM成分はジェット基部（$\sim 10 r_g$ 以内）に関連している可能性が高いものの、現在のデータではこれらの成分を空間的に分解できないことを強調している。したがって、本論文は、これらの成分を分離し、高RM放射領域を直接特定するためには、イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）による将来の空間分解ミリ波偏光観測が極めて重要であると結論付けている。また、本研究は、核の偏光変動とパーセックスケールジェットからのビームド放射との関連性を強化しており、3C 273におけるジェット噴出領域のダイナミックな性質を浮き彫りにしている。