[論文レビュー] The outflow of gas from the Centaurus A circumnuclear disk: atomic spectral line maps from Herschel-PACS and APEX

F. P. Israël, R. Guêsten+3 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Nov 17, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、ハーシェル-PACSおよびAPEXによる遠赤外線分光線マップを用いて、ケンタウルスAの核周囲円盤（CND）内のガスの物理的状態および流出ダイナミクスを調査した。ガスの流出速度は60 km s⁻¹で、質量流出率は約2 M⊙ yr⁻¹に達し、ブラックホールの降着率の約1000倍にのぼる。これは、中心エンジンからの強いフィードバックを示しており、おそらくブラックホール周囲のキャビティ内での衝撃波によって駆動されているものと推定される。

ABSTRACT

The physical state of the gas in the central 500 pc of NGC~5128 (the radio galaxy Centaurus A - Cen A), was investigated using the far-infrared fine-structure lines of carbon, oxygen, and nitrogen, as well as the CO(4-3) molecular line. The circumnuclear disk (CND) is traced by emission from dust and the neutral gas ([CI] and CO). A gas outflow with a line-of-sight velocity of 60 km/s is evident in both species. The center of the CND is bright in [OI], [OIII], and [CII]; [OI]63mu emission dominates that of [CII] even though it is absorbed with optical depths of 1.0-1.5. The outflow is well-traced by the [NII] and [NIII] lines and also seen in the [CII] and [OIII] lines that peak in the center. Ionized gas densities are moderate in the CND and low everywhere else. Neutral gas densities range from 4000 per cm3 (outflow, extended thin disk ETD) to 20 000 per cm3 (CND). The CND radiation field is weak compared to the ETD starburst field. The outflow has a much stronger radiation field. The total mass of all the CND gas is 9 x 10^(7) M(o) and the mass of the outflowing gas is only 15%-30% of that. The outflow most likely originates from the shock-dominated CND cavity surrounding the central black hole. With a factor of three uncertainty, the mass outflow rate is about 2 M(o)/yr, a thousand times higher than the accretion rate of the black hole. Without replenishment, the CND will be depleted in 15-120 million years. However, the outflow velocity is well below the escape velocity.

研究の動機と目的

• NGC 5128（ケンタウルスA）の中心500 pcにおけるガスの物理的状態、特に核周囲円盤（CND）の状態を特定すること。
• 原子細分裵線およびCO放出線で検出されたガス流出の起源とダイナミクスを調査すること。
• CNDおよび流出ガスの質量、密度、放射場、イオン化構造を定量すること。
• 衝撃波とフィードバックが、流出を駆動し、CNDガス貯留庫を枯渇させる役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• 主要な原子および分子遷移の高分解能遠赤外分光線マップを取得：[C II] 158 μm、[C I] 608 μm、[O I] 63 μm、[O III] 88 μm、[N II] 122 μm、[N III] 57 μm、および1.2 mmの¹²CO (4-3)。
• 放射線輸送モデルと線強度比診断法を用いて、空間的に分解された線放出からガス密度、温度、イオン化分率を導出。
• COと[H₂]の換算係数を一定と仮定して、[C I]およびCO線の輝度からCND内の全ガス質量を9.1 × 10⁷ M⊙と推定。
• 線幅方向の速度シフト（60 km s⁻¹）と流出成分の投影質量を統合して質量流出率を計算。不確実性は主に視線角と質量校正に起因。
• CND（≈4）と流出（≈130）における放射場（G₀）を比較し、エネルギー源と励起メカニズムを評価。
• 強い吸収にもかかわらず、[O I]および[N II]線の高強度から衝撃励起を推定し、H₂衝撃トレーサーと空間的相関関係を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケンタウルスAの中心領域におけるガス流出の起源と運動的構造は何か？
• RQ2 核周囲円盤の物理的状態（密度、温度、イオン化度）は、流出領域および拡張した薄い円盤と比べてどのように異なるか？
• RQ3 中性およびイオン化ガスの質量流出率は何か？また、ブラックホールの降着率と比べてどうか？
• RQ4 流出を駆動する主なエネルギー源は何か？衝撃波、AGN放射、または星形成フィードバックか？
• RQ5 CNDガス貯留庫は、補充なしに現在の流出をどれくらいの期間維持できるか？

主な発見

• 核周囲円盤（CND）の全ガス質量は9.1 × 10⁷ M⊙であり、中性ガス密度は約20,000 cm⁻³、温度は45 Kである。
• CNDは中性ガス（90%）が支配的であり、太陽系の3/4の金属量を有し、ダスト対ガス比が260であるため、高いダスト含有量を示している。
• [C I]、CO、[C II]、[N II]、[N III]線で、60 km s⁻¹の線幅方向速度を持つガス流出が検出された。特に[N II]および[N III]線の強度は流出成分で最大である。
• 質量流出率は約2 M⊙ yr⁻¹と推定され、不確実性は3倍程度。ブラックホールの降着率の約1000倍に達する。
• 流出部の放射場（G₀ ≈ 130）はCND（G₀ ≈ 4）よりも顕著に強く、衝撃による加熱が顕著である可能性を示唆している。
• [O I] 63 μm線は、光学的厚さτ ≈ 1.0–1.5の状態にもかかわらず、CND中心部の冷却を支配しており、中央のキャビティで最も強度が高いため、衝撃励起が関与していると推定される。