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

Resumo Técnico: Polarimetria Multibanda ALMA de 3C 273

Problema e Motivação
O arquétipo de quasar 3C 273 exibe uma rotação de Faraday extrema em seu núcleo, previamente detectada por Hovata et al. (2019, dorante H19) dentro da faixa da Banda 6 do ALMA (1,3 mm). No entanto, a cobertura de comprimento de onda limitada desse estudo de banda única impediu uma distinção definitiva entre dois cenários físicos concorrentes: (1) a presença de múltiplos componentes polarizados, cada um sofrendo uma rotação de Faraday distinta, ou (2) rotação de Faraday interna, onde o jato rotaciona sua própria emissão polarizada. Além disso, limitações anteriores de calibração de polarização do ALMA restringiram a análise ao terço interno do feixe primário, deixando a estrutura de polarização do jato em escala de quiloparsec não caracterizada em comprimentos de onda milimétricos. Este estudo aborda essas lacunas utilizando dados multibanda do ALMA para modelar a tela de Faraday nuclear e mapear a evolução do campo magnético ao longo do jato em escala de quiloparsec.

Metodologia
Os autores utilizaram observações de polarização total do ALMA do Ciclo 6 (Projeto 2018.1.00357.S) realizadas em novembro de 2018 em três bandas: Banda 4 (145 GHz), Banda 6 (230 GHz) e Banda 7 (~345 GHz).

• Configuração Observacional: Dois apontamentos separados foram executados em cada banda: um centrado no núcleo e outro no brilhante hotspot de escala de quiloparsec H2 (~21,3" de distância).
• Calibração: A calibração padrão foi realizada utilizando 3C 279 como calibrador de bandpass/polarização. Modificações específicas foram aplicadas às Bandas 6 e 7 para corrigir inclinações irreais de polarização instrumental (termos D) e saltos de ângulo de posição do vetor elétrico (EVPA) entre janelas espectrais. Isso envolveu a adoção de uma abordagem do Event Horizon Telescope (EHT) de definir modelos de polarização independentemente por janela espectral e aplicar uma autocalibração de bandpass utilizando a própria fonte alvo.
• Análise Nuclear: Os parâmetros de Stokes para o núcleo não resolvido foram extraídos usando UVMULTIFIT com simulações de Monte Carlo para quantificar incertezas. A polarização dependente do comprimento de onda foi modelada via ajuste QU no plano complexo, testando quatro modelos paramétricos: um componente Faraday-fino único (S), um componente de despolarização inversa único (Tinv), dois componentes Faraday-finos (S2) e dois componentes dispersivos externos (T2). A seleção do modelo foi baseada em evidência Bayesiana ($\ln Z$) e $\chi^2$ reduzido.
• Análise do Jato: Mapas de intensidade total e polarização foram gerados para o jato em escala de quiloparsec. Mapas de índice espectral foram criados ajustando a intensidade total contra a frequência em todas as 12 janelas espectrais. Vetores de EVPA foram analisados para determinar a topologia do campo magnético.

Resultos Principais

1. Estrutura de Polarização Nuclear:

   • Os dados nucleares são melhor ajustados pelo modelo de dispersão externa de dois componentes (T2), que é decisivamente favorecido sobre os modelos de componente único ou de dois componentes finos com base na evidência Bayesiana ($\Delta \ln Z \approx 140$).
   • A solução de melhor ajuste revela dois componentes polarizados distintos:
     • Componente 1: Um componente de alta Medida de Rotação (RM) com $RM_1 = +(2,58 \pm 0,08) \times 10^5$ rad m$^{-2}$ e uma dispersão de Faraday comparável ($\sigma_{RM,1} \approx 2,36 \times 10^5$ rad m$^{-2}$).
     • Componente 2: Um componente de RM moderada com $RM_2 = +(1,48 \pm 0,18) \times 10^4$ rad m$^{-2}$ e dispersão significativamente menor.
   • Variabilidade: A comparação com épocas anteriores (H19 e Goddi et al. 2021) revela variabilidade significativa no ângulo de polarização e na RM em escalas de tempo de semanas a meses. Os dados de 2018 mostram um ângulo de polarização quase plano através da Banda 6, contrastando com a rotação acentuada vista em 2016/2017.

2. Polarização do Jato em Escala de Quiloparsec:

   • A estrutura de polarização em comprimento de onda milimétrico assemelha-se fortemente à observada em comprimentos de onda de centímetros.
   • Topologia do Campo Magnético: O campo magnético é predominantemente paralelo à direção do jato nas regiões externas. Próximo ao hotspot mais brilhante (H2), o campo no jato interno torna-se perpendicular ao eixo do jato, enquanto nas bordas do jato, o campo se alinha paralelamente às bordas. Esta estrutura circunferencial sugere compressão e cisalhamento de um campo magnético emaranhado no choque frontal.
   • Índice Espectral: O índice espectral é geralmente íngreme ($\alpha \approx -0,9$), tornando-se ainda mais íngreme no hotspot, indicando perdas de sincrotron severas. Nenhuma rotação de Faraday significativa foi detectada no jato ($RM \approx 0$), o que é consistente com as altas frequências onde os efeitos de Faraday são negligenciáveis.

Significância e Alegações
O artigo alega que a cobertura multibanda foi essencial para distinguir entre modelos de rotação de Faraday, descartando o cenário de rotação interna de componente único que não poderia ser excluído com dados de banda única. A detecção de uma tela de Faraday de múltiplos componentes e variável no núcleo sugere um ambiente complexo, denso e magnetizado próximo à base do jato.

Os autores enfatizam que, embora o componente de alta RM esteja provavelmente associado à base do jato (dentro de $\sim 10 r_g$), os dados atuais não conseguem resolver espacialmente esses componentes. Consequentemente, o artigo conclui que a polarimetria milimétrica espacialmente resolvida futura, especificamente com o Event Horizon Telescope (EHT), é crucial para separar esses componentes e localizar diretamente a região de emissão de alta RM. O estudo também reforça a conexão entre a variabilidade da polarização nuclear e a emissão de feixe (beamed emission) do jato em escala de parsec, destacando a natureza dinâmica da região de lançamento do jato em 3C 273.