[論文レビュー] The gentle monster PDS 456: the kpc scale molecular outflow and its implications for QSO feedback

M. Bischetti, E. Piconcelli+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 73被引用数 26

ひとこと要約

本研究は、宇宙で最も明るい電波非放射QSO（L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹）として知られるPDS 456において、kpcスケールの分子性アウトフローの初回ALMA検出を報告する。アウトフローの質量出流量は約290 M☉ yr⁻¹、運動量ブーストは約0.36であり、エネルギー保存型フィードバックモデルに挑戦し、超高光度AGNでは放射圧または非効率的結合がアウトフロー駆動に寄与している可能性を示唆する。

ABSTRACT

We report on the first ALMA observation of the CO(3$-$2) and rest-frame ~340 GHz continuum emission in PDS 456, which is the most luminous, radio-quiet QSO in the local Universe ($z$~0.18), with a bolometric luminosity $L_{ m Bol}\sim10^{47}$ erg s$^{-1}$. ALMA angular resolution allowed us to map scales as small as ~700 pc. The molecular gas reservoir, traced by the core of the very bright CO(3$-$2) emission line, is distributed in a compact rotating disk, with size of ~1.3 kpc, seen close to face-on ($i$~25 deg). Fast CO(3$-$2) emission in the velocity range $v\in[-1000,+500]$ km s$^{-1}$ is also present. Specifically, we detect several blue-shifted clumps out to ~5 kpc from the nucleus, in addition to a compact ($R\lesssim1.2$ kpc), broad emission component. These components reveal a galaxy-wide molecular outflow, with a total mass $M_{ m mol}^{ m out}\sim2.5 imes10^8$ $M_{\odot}$ and a mass outflow rate $\dot{M}_{ m mol}\sim290$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$. The corresponding depletion time is ~8 Myr, shorter than the rate at which the molecular gas is converted into stars, indicating that the detected outflow is potentially able to quench star-formation in the host. The momentum flux of the molecular outflow normalised to the radiative momentum output (i.e. $L_{ m Bol}/c$) is $\lesssim1$, comparable to that of the X-ray ultra-fast outflow (UFO) detected in PDS 456. This is at odds with the expectations for an energy-conserving expansion suggested for most of the large-scale outflows detected in low-luminosity AGN so far. We suggest three possible scenarios that may explain this observation: (i) in very luminous AGN such as our target the molecular gas phase is tracing only a fraction of the total outflowing mass; (ii) a small coupling between the shocked gas by the UFO and the host-galaxy ISM (iii) AGN radiation pressure may play an important role in driving the outflow.

研究の動機と目的

• L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹ である超高光度QSO PDS 456における大規模分子アウトフローの性質と駆動機構を調査すること。
• 観測された分子アウトフローが、通常AGNフィードバックの前提とされるエネルギー保存型拡張モデルと整合しているかどうかを検証すること。
• X線における超高速アウトフロー（UFO）が分子アウトフローの発生に果たす役割を評価し、運動量結合効率を検討すること。
• 分子ガスおよびイオン化ガス相における質量出流量と全波長放射光度の間のスケーリング関係を更新すること。
• 低運動量ブーストが、極端なAGN環境における放射圧などの代替フィードバック機構に与える意味を検討すること。

提案手法

• PDS 456におけるCO(3–2)線放出および準拠周波数 ~340 GHzの連続スペクトルを1.3 mmで高分解能ALMA観測した。
• 3次元BAROLOモデリングを用いて、分子ガスの運動学を再構築し、回転円盤およびアウトフロー成分を同定した。
• 青シフトしたCO(3–2)線放出クラスターや広帯域成分から、分子質量出流量（Ṁ_mol）および運動量フラックス（Ṗ_mol）を測定した。
• 理論的期待値と比較するため、運動量ブースト（Ṗ_mol / (L_Bol/c)）を計算した。
• PDS 456および他のQSOを用いて、Ṁ_molとL_Bolの間の経験的スケーリング関係を導出し、動的範囲を1桁分拡大した。
• エネルギー保存仮定に基づくṀ_molの光度補正モデルを提案し、高光度QSOでは運動量比が低くなると予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高光度QSO PDS 456における分子アウトフローの空間的スケール、質量、および運動学的性質は何か？
• RQ2 分子アウトフローの運動量ブーストは、AGNの放射運動量出力と比べてどの程度であり、フィードバックモデルにどのような含意をもたらすか？
• RQ3 観測された分子アウトフローは、核領域の超高速アウトフロー（UFO）によって駆動されるエネルギー保存型拡張と整合的か？
• RQ4 QSOにおける分子ガスおよびイオン化ガス相の質量出流量は、全波長放射光度とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 AGNの放射圧またはUFOとISMとの間の非効率的結合が、PDS 456で観測された低運動量ブーストを説明できるか？

主な発見

• PDS 456に、全質量が約2.5 × 10⁸ M☉、質量出流量が約290 M☉ yr⁻¹のkpcスケールの分子アウトフローが検出された。
• 分子アウトフローの運動量ブースト（Ṗ_mol / (L_Bol/c)）は約0.36であり、UFOと分子アウトフローの両方を有する源の中で報告された中で最小の値である。
• 分子ガスの消費時定数（τ_dep ~ 8 Myr）は、星形成時定数よりも顕著に短く、星形成の抑制が進行している可能性を示唆する。
• PDS 456における分子質量出流量は、L_Bol > 10⁴⁶ erg s⁻¹ の領域で傾きが平坦化する傾向を示すが、一方でイオン化ガスの出流量はL_Bol ~ 10⁴⁸ erg s⁻¹ まで増加を続ける。
• 分子アウトフローを駆動するエネルギーは、UFOが約10⁻³ Myrで供給可能であり、短時間の噴出または非効率的エネルギー結合を示唆する。
• 低運動量ブーストは標準的なエネルギー保存型モデルを挑戦し、運動量比が1に近いのを予測する放射圧などの代替機構を支持する。