[論文レビュー] Diagnostics of irradiated dense gas in galaxy nuclei. II. A grid of XDR and PDR models

R. Meijerink, M. Spaans+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 12, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 31被引用数 217

ひとこと要約

本論文は、活発銀河核における放射線照射を受けた高密度ガスを診断するための、X線支配領域（XDR）および光子支配領域（PDR）モデルの包括的なグリッドを提示する。X線および準超紫外線放射の下での分子ガスの熱的・化学的平衡をシミュレートすることで、HCN/HCO⁺、CO(16-15)/CO(1-0)、[SiII]/[CII]といった線幅比が、PDR成分によるわずかな混入があっても、XDR（AGN支配）とPDR（星形成爆発支配）を明確に区別できることが特定された。

ABSTRACT

\abridged The nuclei of active galaxies harbor massive young stars, an accreting central black hole, or both. In order to determine the physical conditions that pertain to molecular gas close to the sources of radiation, numerical models are constructed. These models determine the thermal and chemical balance of molecular gas that is exposed to X-rays and far-ultraviolet radiation, as a function of depth. We present a grid of XDR and PDR models that span ranges in density, irradiation and column density. We find that the fine-structure line ratios of e.g. [SiII] 35mum/[CII] 158 mum are larger in XDRs than in PDRs, for a given density, column and irradiation strength. We find that the line ratios HCN/HCO+ and HNC/HCN, as well as the column density ratio CN/HCN, discriminate between PDRs and XDRs. The HCN/HCO+ 1-0 ratio is <1 (>1) for XDRs (PDRs) if the density exceeds 10^5 cm^-3 and if the column density is >10^23 cm^-2. For columns <10^ 22.5 cm^-2 the XDR HCN/HCO+ 1-0 ratio becomes larger than one, although the individual HCN 1-0 and HCO+ 1-0 line intensities are weaker. For modest densities, n=10^4-10^5 cm^-3, and strong radiation fields (>100 erg s^-1 cm^-2), HCN/HCO+ ratios can become larger in XDRs than PDRs as well. The HCN/CO 1-0 ratio is typically smaller in XDRs, and the HCN emission in XDRs is boosted with respect to CO only for columns >10^{23} cm^{-2} and densities <10^4 cm^-3. CO is typically warmer in XDRs than in PDRs, for the same total energy input. This leads to higher CO J=N+1-N/CO 1-0, N>=1, line ratios in XDRs. Lines with N>=10, like CO(16-15) and CO(10-9) observable with HIFI/Herschel, discriminate very well between XDRs and PDRs. Column density ratios indicate that CH, CH+, NO, HOC+ and HCO are good PDR/XDR discriminators.

研究の動機と目的

• 活発銀河核におけるX線および準超紫外線放射にさらされた高密度分子ガスの物理的状態を特定すること。
• 観測可能な線幅比を用いて、XDR（X線支配）とPDR（準超紫外線支配）環境を区別すること。
• 密度、放射線照射、吸収層厚さの変化に伴う線幅比および吸収量の変化を定量化し、観測的診断法を可能にすること。
• 空間的に解像できない観測において、混合PDR/XDR成分による汚染が生じても、依然として有効な診断を可能にする線幅比を特定すること。
• 将来のHerschelおよびALMA観測を支援するため、高J励起COおよび分子線におけるXDR励起の検出可能な特徴を予測すること。

提案手法

• X線（1–100 keV）および準超紫外線（6–13.6 eV）にさらされた高密度分子ガス（n = 10²–10⁶.⁵ cm⁻³）における熱的・化学的平衡の数値モデル化。
• 放射線照射（10⁰.⁵–10⁵ G₀および1.6×10⁻²–160 erg cm⁻² s⁻¹）、吸収量（3×10²¹–1×10²⁵ cm⁻²）、密度の範囲をカバーするグリッドベースの計算。
• 原子の微細構造線（例：[CII] 158 μm、[OI] 63 μm）および分子の回転遷移線（CO、HCN、HNC、CSなど）の放射線輸送を組み込み、J=16までをカバー。
• 分子線放射の衝突励起および放射的脱励起率を用い、衝突率係数は既存の文献からのものを採用。
• XDRとPDRモデルを同じ全エネルギー入射条件下で比較し、イオン化放射線の種別が及ぼす影響を分離。
• XDRとPDR環境の区別に有効な診断ツールとして、線強度比および吸収量比を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ照射および密度条件下で、XDRとPDRにおける原子微細構造線幅比（例：[SiII]/[CII]、[OI]/[CII]）にはどのような差が生じるか？
• RQ2 HCN/HCO⁺ や HNC/HCN といった分子線幅比は、特に高密度領域においてXDRとPDRをどれほど明確に区別できるか？
• RQ3 高J励起CO遷移（例：CO(16-15)）は、XDRとPDRの励起状態をどのように区別するか？また、なぜPDR汚染に対してあまり感受性が低いのか？
• RQ4 吸収量が、XDRとPDRにおけるHCN、HCO⁺、その他の分子種の検出可能性および診断力に果たす役割は何か？
• RQ5 CN/HCN、NO/CO、HOC⁺/HCO⁺、CH/CH⁺ といった分子吸収量比の中で、XDRとPDR状態を最も効果的に区別できるのはどれか？また、その感度閾値は何か？

主な発見

• 密度が10⁴ cm⁻³を超える領域では、X線加熱効率（最大70%）が準超紫外線（0.5–3.0%）よりも高いことから、XDRにおける表面温度がPDRよりも高くなる。
• 同じ密度、吸収量、放射線照射条件下で、XDRにおける[SiII] 35 μm/[CII] 158 μm線幅比はPDRよりも高くなる。これはイオン化バランスの違いに起因する。
• n > 10⁵ cm⁻³ および N_H > 10²³ cm⁻² の条件下で、HCN(1-0)/HCO⁺(1-0)線幅比はXDRでは1未満、PDRでは1を超えるため、高密度領域での強力な診断指標となる。
• 吸収量が10²².⁵ cm⁻²未満の領域では、線強度が弱くてもXDRにおけるHCN/HCO⁺ 1-0幅比は1を超える。これは吸収層厚さに複雑な依存関係があることを示唆する。
• CO(16-15)/CO(1-0)線幅比はXDRにおいてPDRよりも顕著に高く、特に高J遷移で差が大きいため、10–25%のPDR汚染があっても優れた区別指標となる。
• CN/HCN、NO/CO、HOC⁺/HCO⁺、CH/CH⁺ といった吸収量比は、XDRとPDR環境を強く区別するが、完全な予測力を得るには信頼できる衝突率データが必要である。