[論文レビュー] A high-resolution mm and cm study of the obscured LIRG NGC 4418 - A compact obscured nucleus fed by in-falling gas?

F. Costagliola, S. Aalto+5 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Jun 10, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 50被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、高分解能のmmおよびcm電波観測を用いて、明るい赤外銀河NGC 4418の遮蔽された中心核を調査し、降下するガスによって供給されるコンパクトで高温の分子核を明らかにした。3つの成分（80、160、300 K）からなる段層的な温度構造、振動励起状態のHC3NおよびHNC、および中心核へのガス降着率11–49 M⊙ yr⁻¹の証拠が得られ、エネルギー源として極端な星形成バーストまたはコンプトン厚いAGNの可能性が示唆された。

ABSTRACT

The aim of this study is to constrain the dynamics, structure and feeding of the compact nucleous of NGC4418, and to reveal the nature of the main hidden power source: starburst or AGN. We obtained high spatial resolution observations of NGC4418 at 1.4 and 5 GHz with MERLIN, and at 230 and 270 GHz with the SMA very extended configuration. We use the continuum morphology and flux density to estimate the size of the emitting region, the star formation rate and the dust temperature. Emission lines are used to study the kinematics through position-velocity diagrams. Molecular emission is studied with population diagrams and by fitting an LTE synthetic spectrum. We detect bright 1mm line emission from CO, HC3N, HNC and C34S, and 1.4 GHz absorption from HI. The CO 2-1 emission and HI absorption can be fit by two velocity components at 2090 and 2180 km s-1. We detect vibrationally excited HC3N and HNC, with Tvib 300K. Molecular excitation is consistent with a layered temperature structure, with three main components at 80, 160 and 300 K. For the hot component we estimate a source size of less than 5 pc. The nuclear molecular gas surface density of 1e4 Msun pc-2 is extremely high, and similar to that found in the ultra-luminous infrared galaxy (ULIRG) Arp220. Our observations confirm the the presence of a molecular and atomic in-flow, previously suggested by Herschel observations, which is feeding the activity in the center of NGC4418. Molecular excitation confirms the presence of a very compact, hot dusty core. If a starburst is responsible for the observed IR flux, this has to be at least as extreme as the one in Arp220, with an age of 3-10 Myr and a star formation rate >10 Msun yr-1. If an AGN is present, it must be extremely Compton-thick.

研究の動機と目的

• NGC 4418のコンパクトで遮蔽された中心核の力学的挙動、構造、および給餌メカニズムを制約すること。
• 極めて高い赤外線発光が星形成バーストか活動銀河核（AGN）に起因するかを特定すること。
• 温度構造、励起状態、および運動学的性質を含む、分子ガスの物理的状態を調査すること。
• 多波長の電波およびmmデータを用いて、降下するガスが中心エネルギー源に与える影響を評価すること。
• 高い分子励起状態および振動励起状態の種が示す、中心エンジンの性質への含意を評価すること。

提案手法

• MERLINを用いた1.4および5 GHzの高空間分解能観測により、電波連続対応およびHI吸収を調査した。
• SMAのボリューム拡張アレイを用いた230および270 GHzの観測により、mm連続対応および分子線放出を調査した。
• CO、HC3N、HNC、C34Sの線放出を位置-速度図およびLTE合成スペクトルフィッティングを用いて分析した。
• HC3NおよびHNCの振動温度を導出するための人口図を用い、放射的励起の兆候を示した。
• 連続対応および線の形状から、源のサイズ、ガス質量、表面密度を推定した。
• ブラックホール質量とKバンド光度の間の経験的関係を応用し、AGNの妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 4418の中心核における分子ガスの運動学的構造は何か？ これはガスの降下または噴出を示唆するか？
• RQ2 分子ガスの物理的温度構造は何か？ そして励起メカニズムとどのように関係するか？
• RQ3 強力な振動励起状態のHC3NおよびHNC放射の起源は何か？ そして中心源の性質に何を示唆するか？
• RQ4 NGC 4418の中心エネルギー源は、コンパクトな星形成バーストか、コンプトン厚いAGNのどちらによって最も適切に説明されるか？
• RQ5 中心核に給餌されるガスの降着率は何か？ そして既知の星形成バーストまたはAGN系と比較してどうか？

主な発見

• CO 2–1線放出および2090および2180 km s⁻¹でのHI吸収に、2つの速度成分が認められ、降下ガスに一致する二重構造のガス運動学的挙動が示された。
• 振動励起状態のHC3NおよびHNCが検出され、約300 Kの振動温度を示し、振動遷移からの放射的励起を示唆した。
• 分子励起状態は、80 K、160 K、300 Kの段層的温度構造と整合的であり、高温成分は5 pc未満の領域に限定されていた。
• 中心核の分子ガス表面密度は10⁴ M⊙ pc⁻²に達し、ULIRGのArp 220と同等の極めて極限的な状態を示した。
• 中心核に給餌されるガスの降着率は11–49 M⊙ yr⁻¹と推定され、銀河のHI豊富な伴星からの継続的降着を支持した。
• 赤外線発光が星形成によって駆動されている場合、星形成バーストはArp 220と同等に極端で、星形成率>10 M⊙ yr⁻¹、年齢3–10 Myrである必要がある。