[논문 리뷰] A lambda=3 mm molecular line survey of NGC1068. Chemical signatures of an AGN environment

R. Aladro, S. Viti외 8명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 16.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 65인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 IRAM-30m 망원경을 사용하여 NGC 1068의 3 mm 분자 선 조사 결과를 보고하며, 이 AGN에서 HC3N, SO, N2H+, CH3CN 등을 포함한 총 24종의 분자 종류를 최초로 검출하였다. 이는 우주선과 X선 복사에 의해 지배되는 화학적으로 구분되는 환경을 보여주며, 항성 폭발 트레이서인 H2CO와 CH3CCH의 농도가 저하되어 있어 AGN 핵과 항성 폭발 핵 간의 근본적인 화학적 차이를 부각시킨다.

ABSTRACT

We aimed to study the molecular composition of the interstellar medium (ISM) surrounding an Active Galactic Nucleus (AGN), by making an inventory of molecular species and their abundances, as well as to establish a chemical differentiation between starburst galaxies and AGN. We used the IRAM-30 m telescope to observe the central 1.5-2 kpc region of NGC1068, covering the frequencies between 86.2 GHz and 115.6 GHz. Using Boltzmann diagrams, we calculated the column densities of the detected molecules. We used a chemical model to reproduce the abundances found in the AGN, to determine the origin of each detected species, and to test the influence of UV fields, cosmic rays, and shocks on the ISM. We identified 24 different molecular species and isotopologues, among which HC3N, SO, N2H+, CH3CN, NS, 13CN, and HN13C are detected for the first time in NGC1068. We obtained the upper limits to the isotopic ratios 12C/13C=49, 16O/18O=177 and 32S/34S=5. Our chemical models suggest that the chemistry in the nucleus of NGC1068 is strongly influenced by cosmic rays, although high values of both cosmic rays and far ultraviolet (FUV) radiation fields also explain well the observations. The gas in the nucleus of NGC1068 has a different chemical composition as compared to starburst galaxies. The distinct physical processes dominating galaxy nuclei (e.g. C-shocks, UV fields, X-rays, cosmic rays) leave clear imprints in the chemistry of the gas, which allow to characterise the nucleus activity by its molecular abundances.

연구 동기 및 목표

• NGC 1068 핵의 간성간 매질(ISM)의 분자 조성을 규명하는 것.
• 분자 농도를 비교함으로써 AGN 환경와 항성 폭발 은하를 화학적으로 구별하는 것.
• AGN 핵에서 화학을 지배하는 주요 물리적 과정—우주선, 자외선 복사, 충격파—을 규명하는 것.
• 동위원소 농도 비율(12C/13C, 16O/18O, 32S/34S)을 측정하고 은하 화학 진화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특정 물리 조건(예: PDR, 밀도 높은 기체)을 나타내는 분자 종류가 극한의 핵 환경에서 신뢰할 수 있는 트레이서로 사용될 수 있는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 86.2–115.6 GHz 범위에서 IRAM-30m 망원경을 사용하여 NGC 1068의 중심 1.5–2 kpc 영역에 대한 3 mm 스펙트럼 선 조사를 실시하였다.
• 국부 열역학적 평형(LTE)을 가정하여 볼츠만 다이어그램을 사용해 검출된 분자의 열역학적 열량 밀도를 유도하였다.
• 우주선, 자외선 복사, C-충격파 조건을 다양하게 설정한 화학 모델을 적용하여 검출된 종류의 형성 및 파괴 경로를 시뮬레이션하였다.
• NGC 1068의 관측된 분자 농도를 항성 폭발 은하(M 82 및 NGC 253)와 비교하여 화학적 차이를 규명하였다.
• 광학적으로 얇은 방출을 가정하여 상한선과 선 강도 비율에서 동위원소 농도 비율(12C/13C, 16O/18O, 32S/34S)을 계산하였다.
• 관측된 선 강도와 모델 출력을 비교함으로써 복사장과 충격파가 분자 농도에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1068의 둘레핵 간성간 매질에 어떤 분자 종류가 존재하며, 항성 폭발 은하와 비교해 농도는 어떻게 다른가?
• RQ2 우주선, 자외선 복사, 충격파 중에서 AGN 환경에서 관측된 분자 화학에 가장 강력한 영향을 미치는 물리적 과정는 무엇인가?
• RQ3 고분자량이 높은 NGC 1068에서도 H2CO와 CH3CCH와 같은 주요 항성 폭발 트레이서가 부재하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 NGC 1068의 동위원소 농도 비율(12C/13C, 16O/18O, 32S/34S)은 은하 중심과 항성 폭발 은하와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 어느 정도의 신뢰성으로 분자 종류가 AGN 환경에서 특정 물리 조건(예: PDR, 밀도 높은 기체)을 나타내는 트레이서로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• HC3N, SO, N2H+, CH3CN, NS, 13CN, HN13C 등을 포함한 총 24종의 분자 종류와 이소토폴루트를 검출하였으며, 이는 NGC 1068에서 최초로 확인된 것이다.
• M 82와 NGC 253와 같은 항성 폭발 은하에서 풍부한 H2CO와 CH3CCH는 NGC 1068에서 검출되지 않았으며, 상한선으로부터 항성 폭발보다 최소 5–40배 농도가 낮다는 것이 확인되었다.
• NGC 1068의 12C/13C 비율은 49로, 항성 폭발 은하와 은하 중심보다 유의미하게 낮아 다른 핵합성 역사를 반영하고 있다.
• 16O/18O 비율은 ≥177이며, 32S/34S 비율은 5로, 모두 항성 폭발 은하보다 유의미하게 낮아 화학 환경의 구별을 더욱 뚜렷하게 한다.
• 화학 모델링 결과, 높은 우주선 이온화율이 NGC 1068에서 CN, SiO, N2H+, NS, HCN의 농도가 증가한 것을 가장 잘 설명한다.
• C-충격파는 C2H와 H2CO의 농도를 설명할 수 있지만, 대부분의 검출된 종류를 설명하기 위해 필수적인 것은 아니며, 이는 충격파가 화학 반응의 주요 원동력은 아님을 시사한다.