[論文レビュー] From the Circumnuclear Disk in the Galactic Center to thick, obscuring tori of AGNs: Modeling the molecular emission of a parsec-scale torus as found in NGC 1068

B. Vollmer, R. Davies+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 122被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、NGC 1068のパーセクスケールの厚いクラッピーなトーラスからの分子線放出を、事前に存在するリングに衝突する降着するガスクラウドの動的衝突モデルに、乱流加熱、放射線輸送、化学組成を組み合わせてモデル化している。モデルは観測されたCO、HCN、HCO+、CSの線輝度を要因2以内に再現しており、これは乱流による機械的エネルギー供給が加熱を支配しており、X線吸収や赤外線励起は二次的な役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

The high accretion rates needed to fuel the central black hole in a galaxy can be achieved via viscous torques in thick disks and rings, which can be resolved by millimeter interferometry within the inner ∼20 pc of the active galaxy NGC 1068 at comparable scales and sensitivity to single dish observations of the Circumnuclear Disk (CND) in the Galactic Center. To interpret observations of these regions and determine the physical properties of their gas distribution, we present a modeling effort that includes the following: (i) simple dynamical simulations involving partially inelastic collisions between disk gas clouds; (ii) an analytical model of a turbulent clumpy gas disk calibrated by the dynamical model and observations; (iii) local turbulent and cosmic ray gas heating and cooling via H<SUB>2</SUB>O, H<SUB>2</SUB>, and CO emission; and (iv) determination of the molecular abundances. We also consider photodissociation regions (PDRs) where gas is directly illuminated by the central engine. We compare the resulting model datacubes of the CO, HCN, HCO<SUP>+</SUP>, and CS brightness temperatures to available observations. In both cases the kinematics can be explained by one or two clouds colliding with a preexisting ring, in a prograde sense for the CND and retrograde for NGC 1068. And, with only dense disk clouds, the line fluxes can be reproduced to within a factor of about two. To avoid self-absorption of the intercloud medium, turbulent heating at the largest scales, comparable to the disk height, has to be decreased by a factor of 50-200. Our models indicate that turbulent mechanical energy input is the dominant gas-heating mechanism within the thick gas disks. Turbulence is maintained by the gain of potential energy via radial gas accretion, which is itself enhanced by the collision of the infalling cloud. In NGC 1068, we cannot exclude that intercloud gas significantly contributes to the molecular line emission. In this object, while the bulk of the X-ray radiation of the active galactic nucleus is absorbed in a layer of Compton-thick gas inside the dust sublimation radius, the optical and UV radiation may enhance the molecular line emission from photodissociation regions by ∼50% at the inner edge of the gas ring. Infrared pumping may also increase the HCN(3−2) line flux throughout the gas ring by about a factor of two. Our models support the scenario of infalling gas clouds onto preexisting gas rings in galactic centers, and it is viable and consistent with available observations of the CND in the Galactic Center and the dense gas distribution within the inner 20 pc of NGC 1068.

研究の動機と目的

• NGC 1068の内側20 pcにおける高密度分子ガスの分布と運動を、降着ガスクラウドが事前に存在するリングに衝突する物理的根拠に基づくモデルで説明すること。
• 特に乱流機械的エネルギー供給と宇宙線・X線加熱のどちらが支配的かを特定すること。
• AGN遮蔽および赤外線励起の文脈において、間隙ガスおよび光分解領域（PDRs）が分子線放出に与える寄与を評価すること。
• ガス質量、降着率、乱流などの物理的パラメータと観測されたCO、HCN、HCO+、CSの線輝度を一致させること。
• 流出と解釈される運動学的特徴が、実際には反対回転するガス系のガス-ガス衝突に起因する可能性を調査すること。

提案手法

• 厚い乱流ディスク内のクラウド間部分的非弾性衝突を用いて、ガスの力学的挙動をシミュレートし、クラウドの降着とリングとの相互作用をモデル化する。
• 動的シミュレーションの結果とNGC 1068および銀河中心CNDの観測制約を用いて、解析的乱流クラッピーなディスクモデルをキャリブレーションする。
• H2O、H2、COの回転放射を含む局所的加熱・冷却を、宇宙線およびX線イオン化効果を含めて組み込む。
• 個々のクラウド内での放射線輸送を計算し、光学厚さの効果を考慮し、光学的に厚いクラウドが背後の放射を遮蔽できることを仮定する。
• ディスク安定性と乱流を制御するための修正版Toomre Qパラメータを用い、観測された輝度温度に一致するよう散逸率を調整する。
• 赤外線励起がHCN(3-2)線に与える影響と、内側縁におけるPDR効果（特にUV/ソフトX線照射下）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 1068の内側20 pcにおけるCO、HCN、HCO+、CSの観測された運動学的特徴と線輝度は、事前に存在するリングに衝突する降着ガスクラウドのモデルで再現可能か？
• RQ2 厚いクラッピーなガスディスクにおける支配的加熱機構は何か—乱流機械的エネルギー、宇宙線、それともX線／イオン化放射か？
• RQ3 内側数パーセクにおける観測された分子線放出に、間隙ガスがどの程度寄与しているか？
• RQ4 赤外線励起と光分解領域（PDRs）は、内側ディスクにおけるHCN(3-2)線放出と全体の励起にどのように影響を与えるか？
• RQ5 中心のX線放射がコンプトン厚さでほとんど吸収されている場合、観測された高いHCNの化学組成は説明可能か？

主な発見

• 本モデルは、NGC 1068の内側20 pcにおける観測されたCO(2-1)、CO(3-2)、CO(6-5)、HCN(3-2)、HCN(4-3)、HCO+(3-2)、HCO+(4-3)、CS(7-6)の線輝度を、要因約2以内に再現している。
• 乱流機械的エネルギー供給が厚いガスディスクにおける支配的加熱機構であり、これは径方向降着によるポテンシャルエネルギーの増加とクラウド衝突による強化によって維持されている。
• 間隙媒質における自己吸収を回避するためには、標準推定値と比較して、ディスク高さと同等のスケールでの乱流加熱を50～200倍程度低減する必要がある。
• HCN(3-2)線輝度は、ガスリング全体で赤外線励起により最大2倍まで増幅されており、半径1～2 pcにおけるPDR効果は発光を最大2倍まで増幅する可能性がある。
• 観測された高いHCNの化学組成（xHCN > 10−8）は、イオン化率が数×10−12 s−1を超えると再現できないため、中心のX線放射がチルミン厚さであり、ほこりの昇華半径内ではほとんど吸収されていると示唆される。
• NGC 1068で観測された流出と解釈される運動学的特徴は、実際には逆行ガス-ガス衝突に起因する摂動に起因する可能性があり、R <∼3 pcでは流出シグネチャが重畳している可能性がある。