[論文レビュー] The molecular circumnuclear disk (CND) in Centaurus A: A multi-transition CO and [CI] survey with Herschel, APEX, JCMT, and SEST

F. P. Israel, R. Güsten+9 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 5, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、セプテンタリアス・アの回巻き核ディスク（CND）における分子ガス質量の最初の直接測定を報告し、その質量が8.4 × 10⁷ M☉で、COからH₂への換算係数（X_CND）が4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²であることを明らかにした。これは銀河の値よりも顕著に高い。エアロスペース、ジェイエスティ、セスト、およびヘーシェルからの複数の遷移COおよび[CI]線観測を用いて、CNDに特有の高エネルギー状態で高密度な相が存在し、拡張薄ディスク（ETD）には存在しないことが判明した。これはAGNによって駆動されるX線支配領域（XDR）条件を示している。

ABSTRACT

We present new CO and C^o line measurements of the compact circumnuclear disk in the center of NGC 128 (Centaurus~A) obtained with the Herschel Space Observatory, as well as SEST, JCMT, and APEX. The Cen A center CO ladder is quite different from those of either star-burst galaxies or AGNs. In addition, the relative intensity of the central Cen A [CI] emission lines is much greate than that in any other galaxy. The CO surface brightness of the compact circumnuclear disk (CND) is significantly higher than that of the much more extended thin disk (ETD) in the same line of sight. Our LVG and PDR/XDR models suggest that much of the CND gas is relatively cool (25 - 80 K) and not very dense (~ 300 cm^{-3}) if the heating is by UV photons, although there is some gas in both the CND and the ETD with a much higher density of ~30 000 cm^{-3}. Finally, there is also high-excitation, high-density phase in the CND (but not in the ETD), either in the form of an extreme PDR but more likely in the form of an XDR. The total gas mass of the Cen A CND is 8.4 x 10^{7} M(sun), uncertain by a factor of two. The CO-H2 conversion factor is 4 x 10^{20} K km/s, also within a factor of two.

研究の動機と目的

• 回巻き核ディスク（CND）における分子ガス質量およびCOからH₂への換算係数（X_CND）を決定すること。これは、これまでに間接的に推定されてきたものである。
• 複数の観測所からの高J遷移COおよび[CI]線の分析を通じて、CNDガスの励起状態と物理的条件を特徴づけること。
• スペクトル分解を用いて、観測された線放出におけるコンパクトなCNDと拡張薄ディスク（ETD）の寄与を分離すること。
• LVGおよびPDR/XDRモデルを観測された線輝度の階段状分布と比較することで、支配的加熱機構（PDR対XDR）を特定すること。
• 観測された特異な線強度比を踏まえて、CNDにおけるCOと[CI]の冷却効率の相対的寄与を評価すること。

提案手法

• ヘーシェル/HIFI、APEX、JCMT、SESTを用いて、90–1000 GHzの範囲でCO（J=1–13）、¹³CO（J=1–3）、[CI]（J=1–0、2–1）遷移の高スペクトル分解能・高感度観測を実施した。
• 観測されたCO線プロファイルにおけるコンパクトCNDと拡張薄ディスク（ETD）の寄与を分離するために、スペクトル線分解を実施した。
• 大型速度勾配（LVG）モデルを適用し、観測されたCO輝度比から励起温度およびH₂数密度を導出した。
• 光解離領域（PDR）およびX線支配領域（XDR）モデルを用いて、観測された線強度、特に隣接するCO線と比較して異常に強い[CI]放射を解釈した。
• 幾何平均を用いて不確実性を低減する手法を用い、LVGおよびPDR/XDRモデルの結果を統合してCNDの全分子ガス質量を算出した。
• 観測されたCO輝度を高J遷移（最大J=15–14まで）に外挿し、全CO冷却を推定し、[C II]および[CI]輝度と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セプテンタリアス・アの回巻き核ディスク（CND）における真の分子ガス質量は何か？ また、それらはこれまでの間接的推定値とどのように異なるか？
• RQ2 なぜセプテンタリアス・アのCNDにおける[CI]放射は、隣接するCO線と比較して、他のいかなる既知の銀河よりも顕著に強く現れるのか？
• RQ3 CNDにおける分子ガスの物理的条件（温度、密度、励起状態）は何か？ それらは拡張薄ディスク（ETD）とどのように異なるか？
• RQ4 CNDにおける支配的加熱機構は、標準的なPDRモデルと整合しているか？ それとも、観測された線強度を説明するにはX線支配領域（XDR）が必要か？
• RQ5 CO、[CI]、[C II]の冷却効率はCNDにおいてどのように比較されるか？ これは核領域のエネルギー収支に何を示唆するか？

主な発見

• セプテンタリアス・アのCNDにおける全分子ガス質量は8.4 × 10⁷ M☉であり、不確実性は2倍以内である。これは、その質量を直接測定した最初の報告である。
• COからH₂への換算係数（X_CND）は4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²であり、標準的な銀河の値の約2倍である。これは、分子ガス環境が著しく異なることを示している。
• [CI]線強度は、隣接するCO線と比較して著しく強く、[CI] J=1–0線がCO J=4–3線を上回るという特徴は、他のいかなる銀河でも観測されていない。
• CNDは、J=6–5およびJ=7–6でピークを示す独特のCO線輝度の階段状分布を示しており、その後に緩やかな低下を示す。これに対してETDはJ=4–3でピークを示し、急激に低下する。
• CNDには、ETDに存在しない高密度・高励起ガス（n_H₂ ≈ 3 × 10⁴ cm⁻³）の割合が高く、極端なXDRまたはPDR状態が存在することを示している。
• CNDではCOの冷却は[CI]の冷却の最大で半分にとどまり、[C II]の冷却はCOの冷却より約1桁強いため、エネルギー散逸においてイオン化炭素が支配的であることが明らかになった。