[論文レビュー] Probing highly obscured, self-absorbed galaxy nuclei with vibrationally excited HCN

S. Aalto, S. Martin F. Costagliola+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、自己吸収および連続体吸収のため、標準的な基底状態のHCNやHCO+線が機能しない、極度に覆い隠されたコンパクトな銀河核を持つ(U)LIRGにおいて、振動励起状態のHCN（HCN-VIB）がJ=3–2および4–3遷移で強力なプローブであることを示している。HCN-VIB線は、H2質量密度が10^24 cm⁻²を超える領域や、中赤外線表面輝度が5×10^13 L⊙ kpc⁻²を超える領域に埋め込まれた活動銀河核や極端な星形成爆発を露わにし、強力なフィードバックが発現する以前の急速に進化する核領域を特定し、固有のSEDを再構築するための新しい手法を提供する。

ABSTRACT

We present high resolution (0."4) IRAM PdBI and ALMA mm and submm observations of the (ultra) luminous infrared galaxies ((U)LIRGs) IRAS17208-0014, Arp220, IC860 and Zw049.057 that reveal intense line emission from vibrationally excited ($ν_2$=1) J=3-2 and 4-3 HCN. The emission is emerging from buried, compact (r<17-70 pc) nuclei that have very high implied mid-infrared surface brightness $>$$5 imes 10^{13}$ L$_{\odot}$ kpc$^{-2}$. These nuclei are likely powered by accreting supermassive black holes (SMBHs) and/or hot (>200 K) extreme starbursts. Vibrational, $ν_2$=1, lines of HCN are excited by intense 14 micron mid-infrared emission and are excellent probes of the dynamics, masses, and physical conditions of (U)LIRG nuclei when H$_2$ column densities exceed $10^{24}$ cm$^{-2}$. It is clear that these lines open up a new interesting avenue to gain access to the most obscured AGNs and starbursts. Vibrationally excited HCN acts as a proxy for the absorbed mid-infrared emission from the embedded nuclei, which allows for reconstruction of the intrinsic, hotter dust SED. In contrast, we show strong evidence that the ground vibrational state ($ν$=0), J=3-2 and 4-3 rotational lines of HCN and HCO$^+$ fail to probe the highly enshrouded, compact nuclear regions owing to strong self- and continuum absorption. The HCN and HCO$^+$ line profiles are double-peaked because of the absorption and show evidence of non-circular motions - possibly in the form of in- or outflows. Detections of vibrationally excited HCN in external galaxies are so far limited to ULIRGs and early-type spiral LIRGs, and we discuss possible causes for this. We tentatively suggest that the peak of vibrationally excited HCN emission is connected to a rapid stage of nuclear growth, before the phase of strong feedback.

研究の動機と目的

• 標準的トレーサーが極度の減光によって機能不能となる、極度に覆い隠されたコンパクト銀河核を特定・特徴づけること。
• H2質量密度が10^24 cm⁻²を超える領域で、振動励起状態のHCN（HCN-VIB）が、高密度ガスおよび核活動の信頼できるプローブとして機能するかどうかを調査すること。
• 埋め込まれた高輝度源の固有の、より高温のダストスペクトルエネルギー分布（SED）を、HCN-VIB線を中赤外線放射の代理として用いることで再構築すること。
• 線幅関数および動力学的特徴の分析を通じて、HCN-VIB線を示す核の進化段階を特定すること。

提案手法

• IRAM Plateau de Bure干渉計およびALMAを用いて、0.4"の高解像度のミリ波およびサブミリ波観測を実施した。
• コンパクトな核領域における高密度・高温ガスのトレーサーとして、振動励起状態のHCN（ν₂ = 1、J=3–2および4–3）線を標的とした。
• 自己吸収および連続体吸収の影響を評価するため、基底状態のHCNおよびHCO+（ν=0）線とHCN-VIB線を比較した。
• 埋め込まれた源の固有の中赤外線全放射出力の代理としてHCN-VIB線を用い、スペクトルエネルギー分布（SED）の再構築を実施した。
• 線幅関数の分析により、核領域における非円形運動（例：流入・噴出）を推定した。
• CH2NH、HOC+、HC3N、CH3OH、H2Sなどの追加分子線の検出により、化学的および物理的状態に対する追加の制約を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的基底状態のHCNおよびHCO+線が自己吸収および連続体吸収によって抑制される、コンパクトで極度に覆い隠された銀河核において、振動励起状態のHCN（HCN-VIB）が効果的にトレース可能かどうか。
• RQ2 (U)LIRGにおける強力なHCN-VIB線の物理的起源は何か。これは、特大質量ブラックホールの降着を示唆するか、あるいは極端な星形成爆発を示唆するか。
• RQ3 HCN-VIB線の存在が、深く埋め込まれた核において、非円形運動や噴出など核の力学的状態とどの程度相関しているか。
• RQ4 HCN-VIB線が、極度に減光した系において、埋め込まれた高輝度源の固有でより高温のダストSEDをどの程度再構築できるか。
• RQ5 なぜHCN-VIB線はULIRGおよび初期型スパイラルLIRGでのみ検出されるのか。これは核活動の進化段階に何を示唆するか。

主な発見

• 振動励起状態のHCN（ν₂ = 1、J=3–2および4–3）線が、4つの(U)LIRG（Arp220、IRAS17208-0014、IC860、Zw049.057）で検出された。これらはすべて半径17–70 pc未満のコンパクトで埋め込まれた核を有する。
• 核は中赤外線表面輝度が5×10^13 L⊙ kpc⁻²を超える極めて高い推定値を示しており、強力な埋め込み輝度源を示している。
• HCN-VIB線は、H2質量密度が10^24 cm⁻²を超える領域から発生しており、この領域では基底状態のHCNおよびHCO+線が自己吸収および連続体吸収によって強く抑制されている。
• HCN-VIB線幅関数は、自己吸収された基底状態線とは異なり、二重ピークを示さないため、発光がコンパクトで覆い隠された核の中心部から来ていることを示している。
• 強力なHCN-VIB線を示す銀河では、非円形運動の証拠が観測されており、IC860では逆P-Cygniプロファイルが観測され、流入ガスを示唆している。これらの兆候は、強力なフィードバックが発現する以前の急速な核成長段階と関連している可能性がある。
• IC860およびZw049.057では、特に明るいCH2NH、HOC+、HC3N、CH3OH、H2Sの分子線スペクトルが検出され、核領域における極端な物理的状態を示している。