[論文レビュー] Molecular line emission in NGC1068 imaged with ALMA: II. The chemistry of the dense molecular gas

S. Viti, S. García‐Burillo+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 65被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、NGC 1068の核心核円盤における分子線のALMAおよびPdBI観測を用いて、高密度ガスの化学を分析した。観測された線幅比を説明するには、密度・温度・化学組成が異なる複数のガス相成分が必要であることが判明した。AGN領域では、円盤全体にわたって分子の脱結合と化学的差異が顕著に見られた。

ABSTRACT

We present a detailed analysis of ALMA Bands 7 and 9 data of CO, HCO+, HCN and CS, augmented with Plateau de Bure Interferometer (PdBI) data of the ~ 200 pc circumnuclear disk (CND) and the ~ 1.3 kpc starburst ring (SB ring) of NGC~1068, a nearby (D = 14 Mpc) Seyfert 2 barred galaxy. We aim at determining the physical characteristics of the dense gas present in the CND and whether the different line intensity ratios we find within the CND as well as between the CND and the SB ring are due to excitation effects (gas density and temperature differences) or to a different chemistry. We estimate the column densities of each species in Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). We then compute large one-dimensional non-LTE radiative transfer grids (using RADEX) by using first only the CO transitions, and then all the available molecules in order to constrain the densities, temperatures and column densities within the CND. We finally present a preliminary set of chemical models to determine the origin of the gas. We find that in general the gas in the CND is very dense (> 10^5 cm^-3) and hot (T> 150K), with differences especially in the temperature across the CND. The AGN position has the lowest CO/HCO+, CO/HCN and CO/CS column density ratios. RADEX analyses seem to indicate that there is chemical differentiation across the CND. We also find differences between the chemistry of the SB ring and some regions of the CND; the SB ring is also much colder and less dense than the CND. Chemical modelling does not succeed in reproducing all the molecular ratios with one model per region, suggesting the presence of multi-gas phase components. The LTE, RADEX and chemical analyses all indicate that more than one gas-phase component is necessary to uniquely fit all the available molecular ratios within the CND.

研究の動機と目的

• NGC 1068の核心核円盤（CND）および星形成リングにおける高密度分子ガスの物理的・化学的状態を特定すること。
• 観測された線幅比の変動が励起状態の違い（密度・温度）に起因するのか、それとも化学的差異に起因するのかを解明すること。
• AGNおよび星形成フィードバックが銀河中心部の分子ガス化学に果たす役割を評価すること。
• 低密度環境におけるextragalactic環境での観測された分子線幅比を再現する際に、LTEおよびRADEXモデルの限界を評価すること。

提案手法

• NGC 1068のCNDおよび星形成リングにおけるCO、HCO⁺、HCN、CS遷移のALMAバンド7およびバンド9データを用いた。
• 局所熱力学的平衡（LTE）モデルを適用して、分子種の密度を推定した。
• RADEXを用いた大規模1次元非LTE放射線輸送モデリングにより、ガス密度・温度・密度を制約した。
• RADEXの結果を時間に依存するガス-粒子化学モデル（UCL_CHEM）と組み合わせ、異なる領域における化学的駆動要因を検討した。
• RADEXの解を化学モデルのグリッドと比較し、観測された線幅比と整合性があるかを評価した。
• ALMAの分解能を補完するために、約200 pcのCNDおよび約1.3 kpcの星形成リングに対してPdBIデータを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 1068のCNDにおける高密度分子ガスの物理的状態（密度、温度、密度）は何か？
• RQ2 CND全域における分子線幅比の変動は、励起状態の違いに起因するのか、それとも化学的差異に起因するのか？
• RQ3 CNDの化学的性質は星形成リングと比べてどう異なるか？
• RQ4 1つの化学モデルでCND全域の観測された分子線幅比を再現できるのか、それとも複数相のガス相成分モデルが必要か？
• RQ5 X線および宇宙線によるイオン化は、AGN支配領域における分子化学にどのように寄与しているか？

主な発見

• CNDには非常に高密度（n > 10⁵ cm⁻³）かつ高温（T > 150 K）なガスが存在し、AGN位置ではCO/HCO⁺、CO/HCN、CO/CSの密度比が最小であった。
• RADEXモデリングにより、CND全域で顕著な温度差が示され、AGN領域が最も高温で、E Knotが最も低温であった。
• 星形成リングはCNDに比べて著しく低温かつ低密度であり、化学的性質はW Knotに類似しているが、励起状態は低めの条件であった。
• UCL_CHEMを用いた化学モデリングにより、CNDの各サブ領域には3相のISMが存在すると考えられる：高イオン化を示す2つの高密度ガス相と、CSおよびおそらくHCNが生成されるショック成分。
• 1つの化学モデルではCND全域の観測幅比を再現できないことから、データを説明するには複数のガス相成分が必要であると示された。
• CNDの物理的・化学的複雑性を完全に解明するには、ALMA分解能でより多くの分子遷移（特に振動励起状態の線）が必要である。