[논문 리뷰] From the Circumnuclear Disk in the Galactic Center to thick, obscuring tori of AGNs: Modeling the molecular emission of a parsec-scale torus as found in NGC 1068

B. Vollmer, R. Davies외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 122인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 NGC 1068의 파섹 규모, 두꺼운, 덩어리로 이루어진 토러스에서 분자의 방출을 다이나믹스 기반의 충돌 모델을 사용하여 모델링한다. 이 모델은 가스 덩어리가 기존의 고리에 충돌하는 과정과 난류 가열, 복사 전달, 화학 농도를 포함한다. 모델은 관측된 CO, HCN, HCO⁺, CS 선 강도를 약 두 배 이내로 재현하며, 이는 낙하하는 가스의 난류 기계적 에너지가 가열을 주도하고, X선 흡수와 적외선 자극이 선 흥분에 보조 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The high accretion rates needed to fuel the central black hole in a galaxy can be achieved via viscous torques in thick disks and rings, which can be resolved by millimeter interferometry within the inner ∼20 pc of the active galaxy NGC 1068 at comparable scales and sensitivity to single dish observations of the Circumnuclear Disk (CND) in the Galactic Center. To interpret observations of these regions and determine the physical properties of their gas distribution, we present a modeling effort that includes the following: (i) simple dynamical simulations involving partially inelastic collisions between disk gas clouds; (ii) an analytical model of a turbulent clumpy gas disk calibrated by the dynamical model and observations; (iii) local turbulent and cosmic ray gas heating and cooling via H<SUB>2</SUB>O, H<SUB>2</SUB>, and CO emission; and (iv) determination of the molecular abundances. We also consider photodissociation regions (PDRs) where gas is directly illuminated by the central engine. We compare the resulting model datacubes of the CO, HCN, HCO<SUP>+</SUP>, and CS brightness temperatures to available observations. In both cases the kinematics can be explained by one or two clouds colliding with a preexisting ring, in a prograde sense for the CND and retrograde for NGC 1068. And, with only dense disk clouds, the line fluxes can be reproduced to within a factor of about two. To avoid self-absorption of the intercloud medium, turbulent heating at the largest scales, comparable to the disk height, has to be decreased by a factor of 50-200. Our models indicate that turbulent mechanical energy input is the dominant gas-heating mechanism within the thick gas disks. Turbulence is maintained by the gain of potential energy via radial gas accretion, which is itself enhanced by the collision of the infalling cloud. In NGC 1068, we cannot exclude that intercloud gas significantly contributes to the molecular line emission. In this object, while the bulk of the X-ray radiation of the active galactic nucleus is absorbed in a layer of Compton-thick gas inside the dust sublimation radius, the optical and UV radiation may enhance the molecular line emission from photodissociation regions by ∼50% at the inner edge of the gas ring. Infrared pumping may also increase the HCN(3−2) line flux throughout the gas ring by about a factor of two. Our models support the scenario of infalling gas clouds onto preexisting gas rings in galactic centers, and it is viable and consistent with available observations of the CND in the Galactic Center and the dense gas distribution within the inner 20 pc of NGC 1068.

연구 동기 및 목표

• NGC 1068의 내부 20 pc에서 관측된 밀도 높은 분자 가스 분포와 운동을, 낙하하는 가스 덩어리가 기존 고리에 충돌하는 물리적으로 타당한 모델을 통해 설명하기.
• 두꺼운, 덩어리로 이루어진 가스 디스크에서 지배적인 가열 메커니즘을 규명하기—특히 난류 기계적 에너지 입력이 우주선 또는 X선 가열보다 더 중요한지 여부를 확인하기.
• 가운데 가스와 광분해 영역(PDRs)이 분자 선 방출에 기여하는 정도를 평가하기, 특히 AGN 은폐와 적외선 자극의 맥락에서 고려하기.
• CO, HCN, HCO⁺, CS의 관측된 선 강도를 가스 질량, 낙하율, 난류 등의 물리적 매개변수와 일치시키기.
• 관측된 운동학적 특징이 외부 흐름으로 해석되는 것이 아니라, 반대 방향으로 도는 시스템에서의 가스-가스 충돌에 기인할 수 있는지 조사하기.

제안 방법

• 두꺼운, 난류가 있는 디스크에서 덩어리 간 부분적으로 비탄성 충돌을 시뮬레이션하여 가스의 운동과 고리 상호작용을 모델링한다.
• 다이나믹스 시뮬레이션 결과와 NGC 1068, 은하핵 CND의 관측 제약 조건을 기반으로 분석적 난류 덩어리 디스크 모델을 校정한다.
• H₂O, H₂, CO의 회전 방출을 포함한 국소적 가열 및 냉각을 고려하며, 우주선 및 X선 이온화 효과도 포함한다.
• 개별 구름 내에서 복사 전달을 계산하고, 광학 두께 효과를 고려하며, 광학 두꺼운 구름이 뒤에 있는 방출을 가려낼 수 있다고 가정한다.
• 디스크 안정성과 난류를 제어하기 위해 수정된 Toomre Q 파라미터를 사용하며, 관측된 밝기 온도에 맞추기 위해 소산율을 조정한다.
• 적외선 자극이 HCN(3-2) 선 방출에 미치는 영향과, 특히 자외선/부드러운 X선 조명 조건에서 고리 내측 가장자리의 PDR 효과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1068의 내부 20 pc에서 관측된 CO, HCN, HCO⁺, CS의 운동학적 특성과 선 강도는 낙하하는 가스 덩어리가 기존 고리에 충돌하는 모델로 재현될 수 있는가?
• RQ2 두꺼운, 덩어리로 이루어진 토러스에서 지배적인 가열 메커니즘은 무엇인가—난류 기계적 에너지, 우주선, 또는 X선/이온화 복사인가?
• RQ3 내부 몇 파섹에서 관측된 분자 선 방출에 대해, 간섭하는 가스가 얼마나 기여하는가?
• RQ4 적외선 자극과 광분해 영역(PDRs)이 내부 디스크에서 HCN(3-2) 선 방출과 전체 흥분에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 중앙 X선 방출이 Compton 두꺼운 상태이며 대부분 먼지(sublimation) 반경 내에서 흡수된다면, 관측된 높은 HCN 농도는 어떻게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 NGC 1068의 내부 20 pc에서 CO(2-1), CO(3-2), CO(6-5), HCN(3-2), HCN(4-3), HCO⁺(3-2), HCO⁺(4-3), CS(7-6)의 선 강도를 약 두 배 이내로 재현한다.
• 난류 기계적 에너지 입력이 두꺼운 가스 디스크에서 지배적인 가열 메커니즘으로 작용하며, 이는 반경 방향 낙하로 인한 위치 에너지 증가와 덩어리 간 충돌에 의해 강화된다.
• 간섭하는 가스 매체에서 자기 흡수를 피하기 위해, 가장 큰 척도(디스크 두께와 유사한 척도)에서의 난류 가열을 표준 추정치보다 약 50~200배 감소시켜야 한다.
• 적외선 자극으로 인해 전체 가스 고리에서 HCN(3-2) 선 강도가 최대 두 배까지 증가하며, 반경 1~2 pc에서 PDR 효과로 방출이 최대 두 배까지 증가할 수 있다.
• HCN 농도가 높은 것으로 관측된 것(xHCN > 10⁻⁸)은 이온화율이 몇 ×10⁻¹² s⁻¹ 이상이면 재현되지 않으며, 이는 중심 X선 방출이 Compton 두꺼운 상태이며 대부분 먼지 sublimation 반경 내에서 흡수된다는 것을 시사한다.
• NGC 1068에서 관측된 운동학적 특징이 외부 흐름으로 해석되는 것은, 오히려 반대 방향의 가스-가스 충돌에 의한 교란에 기인할 수 있으며, R <∼3 pc 범위에서는 외부 흐름 서명이 중첩될 수 있다.