[논문 리뷰] AGN-driven winds on all scales in Markarian 231: from hot nuclear ultra-fast up to kpc-extended molecular outflow

C. Feruglio, F. Fiore외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 04.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Mrk 231의 분자 디스크와 분출에 대해 고해상도 지도를 제시하며, ~7–10×10⁴³ erg/s의 운동에너지 비율을 가지는 kpc 규모의 이중성 분자 분출과 약 -20,000 km/s의 핵심 초고속 분출(UFO)을 규명한다. UFO의 운동에너지 비율은 대규모 분출과 일치하며, 블랙홀에 의한 에너지 공급이 에너지 보존 확산을 통해 거대한 분출을 이끄는 데 강력한 근거를 제공한다.

ABSTRACT

We present the best sensitivity and angular resolution maps of the molecular disk and outflow of Mrk231, obtained with IRAM/PdBI, and an analysis of archival Chandra and NuSTAR data. We constrain the physical properties of both the molecular disk and outflow, the presence of a highly-ionized ultra-fast nuclear wind, and their connection. The CO(2-1) outflow has a size of ~1 kpc, and extends in all directions around the nucleus, being more prominent along the south-west to north-east direction, suggesting a wide-angle biconical geometry. Its maximum projected velocity is nearly constant out to ~1 kpc, thus implying that the density of the outflowing material must decrease from the nucleus outwards as ~ r^-2. This suggests that either a large part of the gas leaves the flow during its expansion, or that the bulk of the outflow has not yet reached ~1 kpc, implying a limit on its age of ~ 1 Myr. The mass and energy rates of the molecular outflow are dM/dt(OF)=[500-1000] Msun/yr and dE(kin,OF)/dt=[7-10] 10^43 erg/s, its total kinetic energy is E(kin,OF)>~E(disk). Remarkably, our analysis reveals a nuclear ultra-fast outflow (UFO) with velocity ~-20000 km/s, dM(UFO)/dt=0.3-1.6 MSun/yr, and momentum load dP(UFO)/dt/(Lbol/c)=0.25-1.2. We find dE(kin,UFO)/dt~dE(kin,OF)/dt as predicted for outflows undergoing an energy conserving expansion. This suggests that most of the UFO kinetic energy is transferred to mechanical energy of the kpc-scale outflow, strongly supporting that the energy released during accretion of matter onto super-massive black holes is the ultimate driver of giant massive outflows.The momentum flux dP(OF)/dt derived for the large scale outflows in Mrk 231 enables us to estimate a momentum boost dP(OF)/dP(UFO)~ 30-50. The ratios dE(kin, UFO)/dt/L(bol,AGN) = 0.8-4% and dE(kin,OF)/dt/L(bol,AGN) = 1-3% agree with the requirements of the most popular models of AGN feedback.

연구 동기 및 목표

• 고감도, 고각해상도 관측을 통해 Mrk 231의 분자 디스크와 분출의 물리적 성질을 제약한다.
• AGN 중심 영역에서 고이온화 초고속 핵심 바람(UFO)의 존재 및 성질을 조사한다.
• 핵심 UFO와 kpc 규모의 분자 분출 간의 에너지 및 운동량 전달 관계를 규명한다.
• 관측된 에너지 및 운동량 비율이 AGN 피드백 모델의 예측과 일치하는지 평가한다.
• 공간적 및 운동학적 구조를 바탕으로 분출의 연대와 질량 손실 역사를 추정한다.

제안 방법

• IRAM/PdBI 간섭계를 사용하여 Mrk 231의 분자 디스크와 분출에 대해 고감도, 고각해상도 CO(2-1) 지도를 확보한다.
• Archival Chandra 및 NuSTAR X선 데이터를 분석하여 X선 흡수 특징을 통해 초고속 핵심 바람(UFO)의 존재와 특성을 규명한다.
• 관측된 ~1 kpc까지 일정한 투영 속도를 바탕으로 밀도 프로파일을 모델링하여 약 ~r⁻²의 반경 방향 감쇠를 유추한다.
• 속도, 열량 밀도, 기하학적 제약 조건을 사용하여 UFO 및 kpc 규모의 분자 분출에 대한 질량과 운동에너지 비율을 계산한다.
• 이론적 AGN 피드백 모델과 비교하여 운동량 및 운동에너지 적재 요소(dP/dt / (L_bol/c) 및 dE_kin/dt / L_bol)를 평가한다.
• 운동에너지 보존을 평가하기 위해 UFO와 대규모 분출의 운동에너지 비율을 비교하여 에너지 전달 효율을 유추한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 231의 분자 분출은 어떤 공간적 범위와 운동학적 구조를 가지며, 이중성 기하학을 띠는가?
• RQ2 AGN 핵심 영역의 초고속 핵심 바람(UFO)의 질량, 운동에너지, 운동량 비율은 무엇인가?
• RQ3 UFO에서 kpc 규모의 분자 분출으로 직접적인 에너지 전달이 일어나는가, 그리고 에너지 보존 확산과 일치하는가?
• RQ4 관측된 운동량 및 운동에너지 적재 요소는 AGN 피드백 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 분출의 속도와 밀도 프로파일은 그 연대와 질량 손실 역사에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• kpc 규모의 분자 분출은 약 ~1 kpc까지 연장되며, 거의 일정한 투영 속도를 보이므로 ~r⁻²의 반경 밀도 프로파일을 유추할 수 있으며, 질량 손실 또는 제한된 연대를 시사한다.
• 분자 분출의 운동에너지 비율은 dE(kin,OF)/dt = [7–10] × 10⁴³ erg/s이며, 질량 분출 비율은 dM/dt(OF) = [500–1000] M☉/yr이다.
• 속도 약 ~-20,000 km/s의 핵심 초고속 분출(UFO)이 관측되었으며, 질량 분출 비율은 0.3–1.6 M☉/yr이며, 대규모 분출과 유사한 운동에너지 비율을 가진다.
• UFO의 운동에너지 비율(dE(kin,UFO)/dt)는 대규모 분출과 일치하며, UFO에서 분자 분출으로의 에너지 보존 전달을 지지한다.
• 운동량 증폭 비율 dP(OF)/dP(UFO)는 약 ~30–50로 추정되어 대규모 흐름에서의 상당한 운동량 증폭을 나타낸다.
• 운동에너지 적재 요소 dE(kin,UFO)/dt / L_bol = 0.8–4% 및 dE(kin,OF)/dt / L_bol = 1–3%는 주요 AGN 피드백 모델과 일치한다.