[論文レビュー] Inflowing gas onto a compact obscured nucleus in Arp 299A: Herschel spectroscopic studies of H2O and OH

N. Falstad, E. González-Alfonso+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 88被引用数 11

ひとこと要約

Herschel赤外線および亚毫米波分光法を用いて、Arp 299Aのコンpakな遮蔽核における流入する分子ガスを調査した。吸収および放出の多重なH2OおよびOH線を検出。解析により、コンプトン厚い、高表面輝度の核成分が特定され、極めて高い分子豊度を示し、赤シフトした基底状態のOH線は低励起状態の流入を示唆。AGNと星形成の複合的パワー源が、高い16O/18O比（>400）を持つ分子流入によって供給されていることを支持する。

ABSTRACT

Aims. We probe the physical conditions in the core of Arp 299A and try to put constraints to the nature of its nuclear power source. Methods. We used Herschel Space Observatory far-infrared and submillimeter observations of H2O and OH rotational lines in Arp 299A to create a multi-component model of the galaxy. In doing this, we employed a spherically symmetric radiative transfer code. Results. Nine H2O lines in absorption and eight in emission as well as four OH doublets in absorption and one in emission, are detected in Arp 299A. No lines of the 18O isotopologues, which have been seen in compact obscured nuclei of other galaxies, are detected. The absorption in the ground state OH doublet at 119 μm is found redshifted by ~175 km/s compared to other OH and H2O lines, suggesting a low excitation inflow. We find that at least two components are required in order to account for the excited molecular line spectrum. The inner component has a radius of 20-25 pc, a very high infrared surface brightness (> 3e13 Lsun/kpc^2), warm dust (Td > 90 K), and a large H2 column density (NH2 > 1e24 cm^-2). The outer component is larger (50-100 pc) with slightly cooler dust (70-90 K). In addition, a much more extended inflowing component is required to also account for the OH doublet at 119 μm. Conclusions. The Compton-thick nature of the core makes it difficult to determine the nature of the buried power source, but the high surface brightness indicates that it is either an active galactic nucleus and/or a dense nuclear starburst. The high OH/H2O ratio in the nucleus indicates that ion-neutral chemistry induced by X-rays or cosmic-rays is important. Finally we find a lower limit to the 16O/18O ratio of 400 in the nuclear region, possibly indicating that the nuclear starburst is in an early evolutionary stage, or that it is fed through a molecular inflow of, at most, solar metallicity.

研究の動機と目的

• Arp 299Aの核における物理的状態を解明すること。これは、コンパクトな遮蔽核を有する高赤外輝度銀河である。
• 埋蔵された核パワー源の性質を制約し、活動銀河核（AGN）と核星形成活動の違いを区別すること。
• 分子ガスの流入が核活動を駆動する役割を調査すること。
• 特に16O/18O比を決定し、核ガスの進化段階または金属量を推定すること。

提案手法

• Arp 299AにおけるH2OおよびOH回転線のHerschel宇宙望遠鏡赤外線および亚毫米波分光法。
• 球対称コードを用いた多成分放射線輸送モデル化により、観測された線プロファイルおよび強度に適合。
• 吸収および放出線プロファイルの分析、およびドップラー速度の測定により、運動学的状態を推定。
• 観測された線輝度および連続スペクトルと合成モデルを比較し、密度、温度、豊度を導出。
• 18O同素体の非検出を用いて、16O/18O比に下限値を設定。
• 異なる空間的成分におけるダスト温度、H2密度、分子豊度のモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Arp 299Aの核領域における分子ガスの運動状態は何か。流入を示唆しているか。
• RQ2 コンパクト核における高赤外表面輝度の物理的起源は何か。AGN、星形成、あるいは両者の組み合わせによって駆動されているか。
• RQ3 核領域における同素体比16O/18Oは何か。これはガスの金属量または進化段階に何を示唆するか。
• RQ4 H2OおよびOHの豊度は、核における放射場およびイオン-中性子反応化学とどのように関係しているか。
• RQ5 コンプトン光学厚さが中心パワー源を遮蔽する役割を果たすか。検出可能性にどのように影響するか。

主な発見

• 吸収状態のH2O線が9本、放出状態が8本、吸収状態のOH二重線が4組、放出状態が1組検出され、核領域における高い励起状態を示唆。
• 基底状態のOH 119 μm二重線は約175 km s⁻¹赤シフトしており、低励起状態の分子ガスの流入を示している。
• 内側成分は半径20–25 pc、ダスト温度T_d > 90 K、H2密度 >10²⁴ cm⁻²、赤外表面輝度 ≥3×10¹³ L☉ kpc⁻²を示す。
• 核におけるH2OおよびOHの豊度は高く、H2O ≈ 1–5×10⁻⁶、OH ≈ 0.5–5×10⁻⁵（H核に対する相対的豊度）。
• 16O/18O比が>400であると推定され、核星形成が初期進化段階にあり、もしくは太陽金属量以下のはずの未処理ガスによって供給されている可能性を示唆。
• 18OHおよびH₂¹⁸O線の非検出は、X線または宇宙線によって駆動されるイオン-中性子反応化学が核において支配的であることを示唆。