[논문 리뷰] Diagnostics of irradiated dense gas in galaxy nuclei. II. A grid of XDR and PDR models

R. Meijerink, M. Spaans외 1명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2006. 10. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 31인용 수 217

한 줄 요약

이 논문은 은하 핵의 조사된 밀도 높은 기체를 진단하기 위해 X선 도메인 영역(XDR)과 광자 도메인 영역(PDR) 모델의 종합적인 격자를 제시한다. 다양한 X선 및 적외선 외부 복사에 노출된 분자 기체의 열적·화학적 평형을 시뮬레이션함으로써, HCN/HCO⁺, CO(16-15)/CO(1-0), [SiII]/[CII]와 같은 핵심 선비율이 조사된 기체에서 XDR(은하핵활동은하 중심으로 인한 영향)와 PDR(은하의 별 형성 활동으로 인한 영향)를 조건부로 구분할 수 있음을 규명한다. 이는 PDR 성분의 약간의 오염이 있을지라도 강건하게 유지된다.

ABSTRACT

\abridged The nuclei of active galaxies harbor massive young stars, an accreting central black hole, or both. In order to determine the physical conditions that pertain to molecular gas close to the sources of radiation, numerical models are constructed. These models determine the thermal and chemical balance of molecular gas that is exposed to X-rays and far-ultraviolet radiation, as a function of depth. We present a grid of XDR and PDR models that span ranges in density, irradiation and column density. We find that the fine-structure line ratios of e.g. [SiII] 35mum/[CII] 158 mum are larger in XDRs than in PDRs, for a given density, column and irradiation strength. We find that the line ratios HCN/HCO+ and HNC/HCN, as well as the column density ratio CN/HCN, discriminate between PDRs and XDRs. The HCN/HCO+ 1-0 ratio is <1 (>1) for XDRs (PDRs) if the density exceeds 10^5 cm^-3 and if the column density is >10^23 cm^-2. For columns <10^ 22.5 cm^-2 the XDR HCN/HCO+ 1-0 ratio becomes larger than one, although the individual HCN 1-0 and HCO+ 1-0 line intensities are weaker. For modest densities, n=10^4-10^5 cm^-3, and strong radiation fields (>100 erg s^-1 cm^-2), HCN/HCO+ ratios can become larger in XDRs than PDRs as well. The HCN/CO 1-0 ratio is typically smaller in XDRs, and the HCN emission in XDRs is boosted with respect to CO only for columns >10^{23} cm^{-2} and densities <10^4 cm^-3. CO is typically warmer in XDRs than in PDRs, for the same total energy input. This leads to higher CO J=N+1-N/CO 1-0, N>=1, line ratios in XDRs. Lines with N>=10, like CO(16-15) and CO(10-9) observable with HIFI/Herschel, discriminate very well between XDRs and PDRs. Column density ratios indicate that CH, CH+, NO, HOC+ and HCO are good PDR/XDR discriminators.

연구 동기 및 목표

• 활성 은하핵에서 X선 및 적외선 외부 복사에 의해 조사된 밀도 높은 분자 기체의 물리적 조건을 규명하기 위해.
• 관측 가능한 선 진단을 통해 XDR(X선 지배)와 PDR(적외선 외부 복사 지배) 환경을 구분하기 위해.
• 밀도, 조사 강도, 기체 열두께에 따라 선비율과 기체 열두께가 어떻게 변화하는지 정량화하여 관측 진단 가능성을 높이기 위해.
• 공간적으로 해상도가 낮은 관측에서 혼합된 PDR/XDR 성분이 존재할 경우에도 여전히 유효한 진단 선비율을 식별하기 위해.
• Herschel 및 ALMA 향후 관측을 안내하기 위해 고J 상태 CO 및 기타 분자 선에서 XDR 흥(excitation)의 검출 가능 신호를 예측하기 위해.

제안 방법

• X선(1–100 keV) 및 적외선 외부 복사(6–13.6 eV)에 의해 조사된 밀도 높은 분자 기체(n = 10²–10⁶.⁵ cm⁻³)의 열적·화학적 평형을 수치적으로 모델링한 것.
• 조사 강도(10⁰.⁵–10⁵ G₀ 및 1.6×10⁻²–160 erg cm⁻² s⁻¹), 기체 열두께(3×10²¹–1×10²⁵ cm⁻²), 밀도를 포함한 격자 기반 계산.
• 원자 미세구조 선([CII] 158 μm, [OI] 63 μm 등) 및 분자 회전선(CO, HCN, HNC, CS 등)의 복사 전달을 고려한 계산, 최대 J=16까지.
• 분자 선 방출에 대한 충돌 흥(excitation) 및 복사 감쇠(de-excitation) 비율을 사용하며, 충돌률 계수는 문헌 자료를 활용.
• 동일한 총 에너지 입력 조건에서 XDR 및 PDR 모델를 비교함으로써 이온화 복사 유형의 영향을 분리하기 위해.
• XDR 및 PDR 환경을 구분하기 위한 진단 도구로 선 강도 비율 및 기체 열두께 비율을 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 조사 강도와 밀도 조건에서 XDR과 PDR 간에 [SiII]/[CII] 및 [OI]/[CII]와 같은 원자 미세구조 선비율은 어떻게 다를까?
• RQ2 HCN/HCO⁺ 및 HNC/HCN와 같은 분자 선비율이 고밀도 조건에서 XDR과 PDR 환경을 얼마나 잘 분리할 수 있을까?
• RQ3 고J 상태 CO 전이(예: CO(16-15))는 XDR 및 PDR 흥을 어떻게 분별할 수 있으며, 왜 PDR 오염에 덜 민감한가?
• RQ4 기체 열두께가 XDR과 PDR에서 HCN, HCO⁺ 및 기타 분자 종의 검출 가능성과 진단 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CN/HCN, NO/CO, HOC⁺/HCO⁺, CH/CH⁺와 같은 분자 기체 열두께 비율 중에서 XDR과 PDR 조건을 가장 효과적으로 분별할 수 있는 것은 무엇이며, 그 감도 임계값은 무엇인가?

주요 결과

• 밀도 >10⁴ cm⁻³ 조건에서 X선 가열 효율이 높아(최대 70%) FUV(0.5–3.0%)보다 XDR에서 표면 온도가 높다.
• 동일한 밀도, 기체 열두께, 조사 강도 조건에서 XDR에서는 [SiII] 35 μm/[CII] 158 μm 선비율이 PDR보다 높다. 이는 이온화 평형의 차이 때문이다.
• n > 10⁵ cm⁻³ 및 N_H > 10²³ cm⁻² 조건에서 HCN(1-0)/HCO⁺(1-0) 선비율은 XDR에서는 <1, PDR에서는 >1이 되며, 이는 고밀도 조건에서 강력한 진단 지표가 된다.
• 기체 열두께 <10²².⁵ cm⁻² 조건에서 XDR에서는 선 강도가 약해도 HCN/HCO⁺ 1-0 비율이 1을 초과한다. 이는 열두께에 대한 복잡한 의존성 때문이므로 주의가 필요하다.
• CO(16-15)/CO(1-0) 선비율은 XDR에서 PDR보다 현저히 높으며, 고J 전이에서의 차이가 가장 크다. 이는 10–25%의 PDR 오염이 있을 경우에도 뛰어난 분별 능력을 지닌다.
• CN/HCN, NO/CO, HOC⁺/HCO⁺, CH/CH⁺와 같은 기체 열두께 비율은 XDR과 PDR 환경을 강력히 분별하지만, 정확한 예측력을 확보하기 위해서는 신뢰할 수 있는 충돌 데이터가 필요하다.