[논문 리뷰] A high-resolution mm and cm study of the obscured LIRG NGC 4418 - A compact obscured nucleus fed by in-falling gas?

F. Costagliola, S. Aalto외 5명|Research Explorer (The University of Manchester)|2013. 06. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 50인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 밝은 적외선 은하 NGC 4418의 가림된 중심핵을 고해상도 밀리미터 및 센티미터 밀리미터파 관측을 통해 조사하여, 수축된 고온의 분자핵이 수축하는 기체에 의해 공급됨을 밝혀냈다. 이는 세 개의 구성 요소(80, 160, 300 K)로 이루어진 층상 온도 구조, 진동적으로 자극된 HC3N와 HNC, 그리고 핵심 기체 유입률 11–49 M⊙ yr⁻¹의 증거를 제공하며, 극단적 항성 폭발 또는 컴프턴 두른 AGN가 에너지원으로 작용할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

The aim of this study is to constrain the dynamics, structure and feeding of the compact nucleous of NGC4418, and to reveal the nature of the main hidden power source: starburst or AGN. We obtained high spatial resolution observations of NGC4418 at 1.4 and 5 GHz with MERLIN, and at 230 and 270 GHz with the SMA very extended configuration. We use the continuum morphology and flux density to estimate the size of the emitting region, the star formation rate and the dust temperature. Emission lines are used to study the kinematics through position-velocity diagrams. Molecular emission is studied with population diagrams and by fitting an LTE synthetic spectrum. We detect bright 1mm line emission from CO, HC3N, HNC and C34S, and 1.4 GHz absorption from HI. The CO 2-1 emission and HI absorption can be fit by two velocity components at 2090 and 2180 km s-1. We detect vibrationally excited HC3N and HNC, with Tvib 300K. Molecular excitation is consistent with a layered temperature structure, with three main components at 80, 160 and 300 K. For the hot component we estimate a source size of less than 5 pc. The nuclear molecular gas surface density of 1e4 Msun pc-2 is extremely high, and similar to that found in the ultra-luminous infrared galaxy (ULIRG) Arp220. Our observations confirm the the presence of a molecular and atomic in-flow, previously suggested by Herschel observations, which is feeding the activity in the center of NGC4418. Molecular excitation confirms the presence of a very compact, hot dusty core. If a starburst is responsible for the observed IR flux, this has to be at least as extreme as the one in Arp220, with an age of 3-10 Myr and a star formation rate >10 Msun yr-1. If an AGN is present, it must be extremely Compton-thick.

연구 동기 및 목표

• NGC 4418의 밀집된 가림진 중심핵의 역학, 구조 및 공급 메커니즘을 제약하기 위해.
• 극도로 높은 적외선 발광이 항성 폭발인지 활성 은하핵(AGN)인지 결정하기 위해.
• 온도 구조, 자극 상태 및 운동학을 포함한 분자 기체의 물리적 조건을 조사하기 위해.
• 다중 파장의 전파 및 밀리미터파 데이터를 사용하여 수축하는 기체가 중심 에너지원에 공급되는 역할을 평가하기 위해.
• 고수준의 분자 자극과 진동적으로 자극된 종류의 의미를 중심 엔진의 성격에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• MERLIN를 사용한 1.4 및 5 GHz에서의 고공간 해상도 관측을 통해 전파 연속스펙트럼과 HI 흡수를 연구하기 위해.
• SMA 매우 확장된 어레이를 사용한 230 및 270 GHz 관측을 통해 밀리미터 연속스펙트럼과 분자선 방출을 탐색하기 위해.
• CO, HC3N, HNC, C34S 선 방출 분석을 위해 위치-속도도와 LTE 합성 스펙트럼 피팅을 사용하기 위해.
• HC3N와 HNC의 진동 온도를 유도하기 위해 분포도를 사용하여 복사 흡수를 나타내기 위해.
• 연속스펙트럼과 선 형상에서 원천 크기, 기체 질량 및 표면 밀도를 추정하기 위해.
• 흑구질량과 K-대역 발광 간의 경험적 관계를 적용하여 AGN의 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 4418 중심핵의 분자 기체 운동학적 구조는 어떻게 되며, 이는 기체의 유입 또는 유출을 시사하는가?
• RQ2 분자 기체의 물리적 온도 구조는 어떻게 되며, 자극 메커니즘과의 관계는 무엇인가?
• RQ3 강력한 진동적으로 자극된 HC3N와 HNC 방출의 기원은 무엇이며, 중심 소스에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 NGC 4418의 중심 에너지원은 밀집된 항성 폭발인지 컴프턴 두른 AGN로 가장 잘 설명되는가?
• RQ5 핵심에 공급되는 기체의 유입률은 얼마이며, 알려진 항성 폭발 또는 AGN 시스템과 비교해보면 어떻게 되는가?

주요 결과

• CO 2–1 방출과 HI 흡수에서 각각 2090 및 2180 km s⁻¹에서 관측된 두 속도 성분은 기체의 이중성 운동학을 나타내며, 수축하는 물질과 일치한다.
• 진동적으로 자극된 HC3N와 HNC는 약 300 K의 진동 온도로 검출되었으며, 진동 전이로부터 복사 흡수를 시사한다.
• 분자 자극은 80 K, 160 K, 300 K의 층상 온도 구조와 일치하며, 고온 성분은 5 pc 이내의 영역에 국한되어 있다.
• 핵심 분자 기체 표면 밀도는 10⁴ M⊙ pc⁻²에 도달하여 ULIRG인 Arp 220과 유사한 극단적 조건을 나타낸다.
• 핵심에 공급되는 기체 유입률은 약 11–49 M⊙ yr⁻¹로 추정되며, 항성 질량이 많은 이웃 은하의 기체로부터의 지속적인 응집을 지지한다.
• 만약 적외선 발광이 항성 형성에 의해 공급된다면, 항성 폭발은 Arp 220 수준의 극단적인 조건이어야 하며, 항성 형성률 >10 M⊙ yr⁻¹, 연령 3–10 Myr여야 한다.