[論文レビュー] Study of the Inner Structure of the Molecular Torus in IRAS 08572+3915 NW with Velocity Decomposition of CO Rovibrational Absorption Lines

Shusuke Onishi, Takao Nakagawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 128被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ULIRG IRAS 08572+3915 NWに向けて4.67 µm付近のCOロビブレーション分光線を、高分解能（R ~10,000）で測定し、ドップラー速度分解を実施した。その結果、2つの噴流成分（それぞれ~−160 km s⁻¹、広帯域および狭帯域）と1つの流入成分（~+100 km s⁻¹）の3つの明著な成分が判明した。速度分散比（1:5:17）から、内側領域ではクラウドが回転するトーラス内で噴流が発生し、外側領域では流入が生じていることが示唆され、動的温度勾配（Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ）が推定された。この勾配は、密度の大きな変動を伴う磁力学的モデルがなければ説明できない。

ABSTRACT

Understanding the inner structure of the clumpy molecular torus surrounding the active galactic nucleus is essential in revealing the forming mechanism. However, spatially resolving the torus is difficult because of its size of a few parsecs. Thus, to probe the clump conditions in the torus, we performed the velocity decomposition of the CO rovibrational absorption lines ($\Delta{v}=0 o 1,\ \Delta{J}=\pm 1$) at $\lambda\sim 4.67\,\mathrm{\mu{m}}$ observed toward an ultraluminous infrared galaxy IRAS 08572+3915 NW with the high-resolution spectroscopy ($R\sim 10{,}000$) of Subaru Telescope. Consequently, we found that each transition had two outflowing components, i.e., (a) and (b), both at approximately $\sim -160\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, but with broad and narrow widths, and an inflowing component, i.e., (c), at approximately $\sim +100\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, which were attributed to the torus. The ratios of the velocity dispersions of each component lead to those of the rotating radii around the black hole of $R_\mathrm{rot,a}:R_\mathrm{rot,b}:R_\mathrm{rot,c}\approx 1:5:17$, indicating the torus where clumps are outflowing in the inner regions and inflowing in the outer regions if a hydrostatic disk with $\sigma_V\propto R_\mathrm{rot}^{-0.5}$ is assumed. Based on the kinetic temperature of components (a) and (b) of $\sim 720\,\mathrm{K}$ and $\sim 25\,\mathrm{K}$ estimated from the level population, the temperature gradient is $T_\mathrm{kin}\propto R_\mathrm{rot}^{-2.1}$. Magnetohydrodynamic models with large density fluctuations of two orders of magnitude or more are necessary to reproduce this gradient.

研究の動機と目的

• ULIRG IRAS 08572+3915 NWのAGNにおけるクラウド構造の分子トーラスの内側構造を、数パーセクスケールのため空間的分解能が困難であるにもかかわらず、解明すること。
• COロビブレーション吸収線の速度成分分解により、トーラス内の個々のクラウドの力学的・物理的状態を特定すること。
• 回転するディスクモデル（σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ）を仮定し、速度分散から流入・噴流クラウドの空間的分布を推定すること。
• 準位分布解析を用いて動的温度と吸収光学的厚さを推定し、トーラスの熱的構造を制約すること。

提案手法

• Subaru望遠鏡を用いた、COロビブレーション遷移（v=0→1、ΔJ=±1）の高分解能近赤外分光法（R ~10,000）を、~4.67 µmで実施。
• CO吸収線の速度分解により、3つの明確な成分（2つの噴流成分：~−160 km s⁻¹、1つの流入成分：~+100 km s⁻¹）を分離。
• 観測された光学的厚さをガウス成分でフィッティングし、FWHMおよび中心ドップラー速度などの線パラメータを決定。
• ボルツマン分布を用いて、回転遷移の準位分布から励起温度を導出。
• COおよび氷の特徴の光学的厚さと積分バンド強度から、分子の総柱密度を推定。
• 静的ディスクモデル（σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ）を仮定し、速度分散から回転半径（Rrot）を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COロビブレーション分光線の速度分解により、IRAS 08572+3915 NWの分子トーラス内に存在する個々のクラウドの力学的状態（流入／噴流）はどのように特定できるか？
• RQ2 回転ディスクモデルを仮定した場合、異なる成分の速度分散が中心ブラックホールからの半径距離とどのように関係しているか？
• RQ3 CO遷移の準位分布解析に基づき、トーラスの動的温度構造は半径に応じてどのように変化するか？
• RQ4 観測された温度勾配（Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ）は、既存の磁力学的モデルで説明可能か？
• RQ5 氷の特徴（COおよびOCN⁻）は吸収にどの程度寄与しているか？また、それらの運動学的性質はトーラスの熱的・力学的歴史をどのように示唆するか？

主な発見

• COロビブレーション吸収線は、3つの明確な速度成分を示している：2つの噴流成分（~−160 km s⁻¹、広帯域および狭帯域）と1つの流入成分（~+100 km s⁻¹）。
• 成分（a）、（b）、（c）の速度分散比（1:5:17）から、回転半径 Rrot,a : Rrot,b : Rrot,c ≈ 1 : 5 : 17 が得られ、内側領域では噴流が、外側領域では流入が発生していることが示唆される。
• 成分（a）の動的温度は約720 K、（b）は約25 Kであり、急激な温度勾配 Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ が推定された。
• 観測された温度勾配は、少なくとも2桁の密度変動を伴う磁力学的モデルがなければ再現できない。
• CO氷の特徴は、各特徴に対して2つの狭帯域ガウス成分（FWHM ~0.0033 µm）で最良にフィットし、低温の氷が存在し、ブルーシフトおよびレッドシフト成分を示している。
• 非極性CO氷（CO2優位および純粋）の柱密度は、それぞれ6±1×10¹⁶ cm⁻²および9±1×10¹⁶ cm⁻²と推定され、OCN⁻氷は2.2±0.4×10¹⁶ cm⁻²であった。