[論文レビュー] High resolution observations of HCN and HCO+ J=3-2 in the disk and outflow of Mrk231 -Detection of vibrationally excited HCN in the warped nucleus

S. Aalto, S. García‐Burillo+7 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|Nov 10, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、IRAM Plateau de Bure干渉計を用いて、Mrk 231におけるHCNおよびHCO⁺ J=3–2の高分解能観測を実施し、歪んだ核ディスクで初めて振動励起状態にあるHCN（ν₂=1 f）を検出した。核中心部に位置するコンパクトで、非常に傾いている発光は、14 µmの中赤外放射によって励起されており、高密度でほこりを含む歪んだ内側ディスクを示しており、HCNの割合が高め（X(HCN) ≈ 10⁻⁶）で、高密度ガス（n ≈ 10⁴–5×10⁵ cm⁻³）が存在することを示している。これは、赤外線ポンピングが主ディスク発光のおよそ50％に影響を与えていることを示唆している。一方、拡張したラインウェイドは、最大±750 km s⁻¹の速度で衝突によって励起された噴出ガスを示している。

ABSTRACT

We obtained high resolution (0."25 to 0."90) observations of HCN and HCO+ J=3-2 of the ultraluminous QSO galaxy Mrk231 with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. We find luminous HCN and HCO+ 3-2 emission in the main disk and we detect compact (r<90 pc) vibrationally excited HCN 3-2, v2=1f emission centred on the nucleus. The velocity field of the vibrationally excited HCN is strongly inclined (PA=155 deg.) compared to the east-west rotation of the main disk. The nuclear molecular mass is estimated to 8e8 Msun with an average N(H2)of 1.2e24 cm-2. Prominent, spatially extended (>350 pc) line wings are found for HCN 3-2 with velocities +-750 km/s. Line ratios indicate that the emission is emerging in dense gas n=1e4 - 5e5 cm-3 of elevated HCN abundance X(HCN)=1e-8 to 1e-6. High X(HCN) also allows for the emission to originate in gas of more moderate density. We tentatively detect nuclear emission from the reactive ion HOC+ with HCO+/HOC+=10-20. The HCN v2=1f line emission is consistent with the notion of a hot, dusty, warped inner disk of Mrk231 where the v2=1f line is excited by bright mid-IR 14 micron continuum. We estimate the vibrational temperature T_vib to 200-400 K. We propose that 50% of the main HCN emission may have its excitation affected by the radiation field through IR pumping of the vibrational ground state. The HCN emission in the line wings, however, is more extended and thus likely not strongly affected by IR pumping. Our results reveal that dense clouds survive (and/or are formed) in the AGN outflow on scales of at least several hundred pc before evaporating or collapsing. The elevated HCN abundance in the outflow is consistent with warm chemistry possibly related to shocks and/or X-ray irradiated gas. An upper limit to the mass and momentum flux is 4e8 Msun and 12L_AGN/c, respectively, and we discuss possible driving mechanisms for the dense outflow.

研究の動機と目的

• 超高光度QSO銀河であるMrk 231の核および大規模噴出領域における分子ガスの性質を調査すること。
• AGN駆動噴出領域および核ディスク内の高密度分子ガスの物理的状態を特定すること。
• AGNからの中赤外放射が、HCNの振動励起状態を励起しているかどうかを検証すること。
• 噴出領域および核領域における高密度ガスの質量、運動量フラックス、励起メカニズムを推定すること。

提案手法

• IRAM Plateau de Bure干渉計を用いた、HCNおよびHCO⁺ J=3–2遷移の高分解能（0.″25から0.″90）干渉観測。
• 空間的に分解されたスペクトルラインマッピングにより、ドップラー速度場、ラインウェイド、発光の形態を分析。
• スペクトルライン比分析により、ガス密度（n）、HCNの割合（X(HCN)）、励起状態を推定。
• 14 µmの赤外線ポンピングによる振動励起のモデル化。地上状態および第一励起振動状態のHCNが同一空間に存在すると仮定。
• 積分ラインフラックスとビーム平均化仮定を用いて、分子質量および柱密度を推定。
• HCO⁺/HOC⁺ライン強度比の比較により、核領域におけるイオン化学および反応性イオンの存在可能性を推察。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mrk 231の核ディスクおよび噴出領域におけるHCNおよびHCO⁺ J=3–2発光の空間的分布および運動学的特性は何か？
• RQ2 核部で観測されたHCN発光は、振動状態ν₂=1 fの赤外線ポンピングによる放射励起によるものか？
• RQ3 AGN駆動噴出領域における高密度分子ガスの物理的状態（密度、割合、温度）は何か？
• RQ4 赤外線ポンピングは、主ディスクと拡張ラインウェイドの両方において、HCNの励起にどの程度寄与しているか？
• RQ5 高密度分子噴出領域の質量および運動量フラックスは何か？また、その駆動機構として考えられるメカニズムは何か？

主な発見

• HCN J=3–2のν₂=1 f振動遷移が、Mrk 231で初めて検出された。発光はコンパクトで（FWHM r ≈ 0.″17、150 pc）、核中心に位置している。
• 振動励起HCNの速度場は強く傾いている（PA ≈ 155° ± 10°）、これは歪んだほこりを含む内側ディスク構造を示している。
• 核部の分子質量は8×10⁸ M⊙と推定され、平均H₂柱密度は1.2×10²⁴ cm⁻²である。
• HCN ν₂=1 fラインは14 µmの中赤外連続スペクトルによって励起されており、振動温度は200–400 Kである。
• HCN J=3–2のラインウェイドは350 pc以上（0.″4）にわたり、±750 km s⁻¹の速度に達しており、質量が大きく高密度な噴出ガスを示している。
• 噴出領域におけるHCNの割合は高め（X(HCN) ≈ 10⁻⁶）であり、これは温暖で高密度なガスが衝撃波やX線放射によって駆動されている可能性を示唆している。