[論文レビュー] AGN-driven winds on all scales in Markarian 231: from hot nuclear ultra-fast up to kpc-extended molecular outflow

C. Feruglio, F. Fiore+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Mark 231における分子円盤および噴流の高解像度マップを提示し、kpcスケールの二重錐形分子噴流が、~7–10×10⁴³ erg/sの運動エネルギー放出率を示していることが明らかになった。また、核部に~ -20,000 km/sの超高速核風（UFO）が検出された。UFOの運動エネルギー放出率は、大規模噴流と一致しており、AGN降着エネルギーがエネルギー保存的拡張によって大規模な噴流を駆動していることを強く支持する。

ABSTRACT

We present the best sensitivity and angular resolution maps of the molecular disk and outflow of Mrk231, obtained with IRAM/PdBI, and an analysis of archival Chandra and NuSTAR data. We constrain the physical properties of both the molecular disk and outflow, the presence of a highly-ionized ultra-fast nuclear wind, and their connection. The CO(2-1) outflow has a size of ~1 kpc, and extends in all directions around the nucleus, being more prominent along the south-west to north-east direction, suggesting a wide-angle biconical geometry. Its maximum projected velocity is nearly constant out to ~1 kpc, thus implying that the density of the outflowing material must decrease from the nucleus outwards as ~ r^-2. This suggests that either a large part of the gas leaves the flow during its expansion, or that the bulk of the outflow has not yet reached ~1 kpc, implying a limit on its age of ~ 1 Myr. The mass and energy rates of the molecular outflow are dM/dt(OF)=[500-1000] Msun/yr and dE(kin,OF)/dt=[7-10] 10^43 erg/s, its total kinetic energy is E(kin,OF)>~E(disk). Remarkably, our analysis reveals a nuclear ultra-fast outflow (UFO) with velocity ~-20000 km/s, dM(UFO)/dt=0.3-1.6 MSun/yr, and momentum load dP(UFO)/dt/(Lbol/c)=0.25-1.2. We find dE(kin,UFO)/dt~dE(kin,OF)/dt as predicted for outflows undergoing an energy conserving expansion. This suggests that most of the UFO kinetic energy is transferred to mechanical energy of the kpc-scale outflow, strongly supporting that the energy released during accretion of matter onto super-massive black holes is the ultimate driver of giant massive outflows.The momentum flux dP(OF)/dt derived for the large scale outflows in Mrk 231 enables us to estimate a momentum boost dP(OF)/dP(UFO)~ 30-50. The ratios dE(kin, UFO)/dt/L(bol,AGN) = 0.8-4% and dE(kin,OF)/dt/L(bol,AGN) = 1-3% agree with the requirements of the most popular models of AGN feedback.

研究の動機と目的

• 高感度・高分解能観測を用いて、Mrk 231の分子円盤および噴流の物理的性質を制約すること。
• AGN中心領域に高電離度の超高速核風（UFO）が存在するか、その性質を調査すること。
• 核部のUFOとkpcスケールの分子噴流との間のエネルギーおよび運動量の伝達関係を特定すること。
• 観測されたエネルギーおよび運動量放出率が、AGNフィードバックモデルの予測と一致するかを評価すること。
• 空間的・運動的構造に基づいて、噴流の年齢および質量損失歴を推定すること。

提案手法

• IRAM/PdBI干渉計を用いて、Mrk 231の分子円盤および噴流の高感度・高分解能CO(2-1)マップを取得した。
• X線吸収特徴を用いて、ChandraおよびNuSTARのアーカイブX線データを分析し、超高速核風（UFO）の検出と特徴の特定を行った。
• 観測された1 kpcまでほぼ一定の投影ドップラー速度が得られたことから、密度プロファイルが~r⁻²の距離依存性を示すと推定した。
• 速度、密度柱密度、幾何的制約を用いて、UFOおよびkpcスケールの分子噴流の質量および運動エネルギー放出率を計算した。
• 理論的AGNフィードバックモデルと比較して、運動量および運動エネルギー負荷率（dP/dt / (L_bol/c) および dE_kin/dt / L_bol）を評価した。
• UFOと大規模噴流の運動エネルギー放出率を比較することで、エネルギー保存の程度を評価し、エネルギー伝達効率を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mrk 231の分子噴流の空間的スケールおよび運動的構造は何か？また、二重錐形幾何であるか？
• RQ2 AGN核部の超高速核風（UFO）の質量、運動エネルギー、運動量放出率は何か？
• RQ3 UFOからkpcスケールの分子噴流への直接的なエネルギー伝達が存在するか？また、エネルギー保存的拡張と整合的か？
• RQ4 観測された運動量および運動エネルギー負荷率は、AGNフィードバックモデルの予測とどのように一致するか？
• RQ5 噴流の速度および密度プロファイルは、その年齢および質量損失歴にどのような制約を課えるか？

主な発見

• kpcスケールの分子噴流は~1 kpcまで延びており、ほぼ一定の投影ドップラー速度を示しており、~r⁻²の径方向密度低下を示唆しており、質量損失または限定的な年齢を示している可能性がある。
• 分子噴流の運動エネルギー放出率は dE(kin,OF)/dt = [7–10] × 10⁴³ erg/s、質量放出率は dM/dt(OF) = [500–1000] M☉/yr である。
• 核部に速度 ~-20,000 km/s の超高速核風（UFO）が検出され、質量放出率は 0.3–1.6 M☉/yr、運動エネルギー放出率は大規模噴流と同等である。
• UFOの運動エネルギー放出率（dE(kin,UFO)/dt）は、大規模噴流と一致しており、UFOから分子噴流へのエネルギー保存的伝達を支持する。
• 運動量増幅比 dP(OF)/dP(UFO) は ~30–50 と推定され、大規模流れにおける顕著な運動量増幅が示唆される。
• 運動エネルギー負荷率 dE(kin,UFO)/dt / L_bol = 0.8–4% および dE(kin,OF)/dt / L_bol = 1–3% は、最先端のAGNフィードバックモデルと整合的である。