[논문 리뷰] High resolution observations of HCN and HCO+ J=3-2 in the disk and outflow of Mrk231 -Detection of vibrationally excited HCN in the warped nucleus

S. Aalto, S. García‐Burillo외 7명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2014. 11. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용하여 Mrk 231의 HCN 및 HCO⁺ J=3–2 방출에 대한 고해상도 관측을 제시하며, 비틀어진 핵_DISK에서 처음으로 진동적으로 들뜬 HCN (ν₂=1 f)를 탐지한다. 핵심에 위치한 밀도 높고 기울어진 방출은 14 µm 중간 적외선 복사에 의해 자극되어 있으며, 이는 밀도가 높고-dusty한 내부 디스크를 나타내며, HCN 농도가 상승해 있다 (X(HCN) ≈ 10⁻⁶), 그리고 밀도가 높은 기체 (n ≈ 10⁴–5×10⁵ cm⁻³)를 포함한다. 이는 적외선 펌프가 주된 디스크 방출의 약 50%에 영향을 준다는 것을 시사하며, 확장된 선 날개는 최대 ±750 km s⁻¹의 속도로 충돌에 의해 자극된 유출 기체를 시사한다.

ABSTRACT

We obtained high resolution (0."25 to 0."90) observations of HCN and HCO+ J=3-2 of the ultraluminous QSO galaxy Mrk231 with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. We find luminous HCN and HCO+ 3-2 emission in the main disk and we detect compact (r<90 pc) vibrationally excited HCN 3-2, v2=1f emission centred on the nucleus. The velocity field of the vibrationally excited HCN is strongly inclined (PA=155 deg.) compared to the east-west rotation of the main disk. The nuclear molecular mass is estimated to 8e8 Msun with an average N(H2)of 1.2e24 cm-2. Prominent, spatially extended (>350 pc) line wings are found for HCN 3-2 with velocities +-750 km/s. Line ratios indicate that the emission is emerging in dense gas n=1e4 - 5e5 cm-3 of elevated HCN abundance X(HCN)=1e-8 to 1e-6. High X(HCN) also allows for the emission to originate in gas of more moderate density. We tentatively detect nuclear emission from the reactive ion HOC+ with HCO+/HOC+=10-20. The HCN v2=1f line emission is consistent with the notion of a hot, dusty, warped inner disk of Mrk231 where the v2=1f line is excited by bright mid-IR 14 micron continuum. We estimate the vibrational temperature T_vib to 200-400 K. We propose that 50% of the main HCN emission may have its excitation affected by the radiation field through IR pumping of the vibrational ground state. The HCN emission in the line wings, however, is more extended and thus likely not strongly affected by IR pumping. Our results reveal that dense clouds survive (and/or are formed) in the AGN outflow on scales of at least several hundred pc before evaporating or collapsing. The elevated HCN abundance in the outflow is consistent with warm chemistry possibly related to shocks and/or X-ray irradiated gas. An upper limit to the mass and momentum flux is 4e8 Msun and 12L_AGN/c, respectively, and we discuss possible driving mechanisms for the dense outflow.

연구 동기 및 목표

• 초광도 QSO 은하 Mrk 231의 핵 및 대규모 유출 영역에서 분자 기체 성질을 조사하기 위해.
• 은하핵을 주도하는 AGN에 의해 유도된 유출에서 밀도 높은 분자 기체의 물리적 조건을 규명하기 위해.
• AGN의 중간 적외선 복사가 HCN의 진동적으로 들뜬 상태를 자극하는 데 기여하는지 테스트하기 위해.
• 유출 및 핵 영역의 밀도 높은 기체의 질량, 동량 유량, 자극 메커니즘을 추정하기 위해.

제안 방법

• IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용한 HCN 및 HCO⁺ J=3–2 전이의 고해상도 (0.″25에서 0.″90) 간섭 관측.
• 공간적으로 해상도가 높은 스펙트럼 선 맵핑을 통해 속도장, 선 날개, 방출 형태를 분석.
• 기체 밀도 (n), HCN 농도 (X(HCN)), 자극 조건을 추론하기 위한 스펙트럼 선 비율 분석.
• 14 µm 중간 적외선 펌프를 통한 진동 자극 모델링을 수행하며, 기저 상태 및 첫 번째 진동 상태의 HCN이 공간적으로 일치한다고 가정.
• 통합 선 강도와 비드 평균 가정을 사용하여 분자 질량과 열두께를 추정.
• 핵 영역에서의 이온 화학과 반응성 이온 존재 가능성을 추론하기 위해 HCO⁺/HOC⁺ 선 강도 비율을 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mrk 231의 핵 디스크 및 유출 영역에서 HCN 및 HCO⁺ J=3–2 방출의 공간 분포와 운동학은 어떻게 되는가?
• RQ2 핵에서 관측된 HCN 방출은 중간 적외선 펌프에 의한 진동 상태 ν₂=1 f의 복사 자극 때문인가?
• RQ3 AGN에 의해 유도된 유출에서 밀도 높은 분자 기체의 물리적 조건(밀도, 농도, 온도)은 무엇인가?
• RQ4 적외선 펌프는 주된 디스크 방출과 확장된 선 날개의 HCN 자극에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 밀도 높은 분자 유출의 질량 및 동량 유량은 얼마이며, 어떤 메커니즘이 이를 주도할 수 있는가?

주요 결과

• Mrk 231에서 HCN J=3–2 ν₂=1 f 진동 전이가 처음으로 탐지되었으며, 핵심에 중심을 두고 밀도 높은 방출 (FWHM r ≈ 0.″17, 150 pc)이 관측되었다.
• 진동적으로 들뜬 HCN의 속도장은 강하게 기울어져 있다 (PA ≈ 155° ± 10°), 이는 비틀어지고 먼지가 많은 내부 디스크의 구조를 나타낸다.
• 핵심 분자 질량은 8×10⁸ M⊙로 추정되며, 평균 H₂ 열두께는 1.2×10²⁴ cm⁻²이다.
• HCN ν₂=1 f 선은 14 µm 중간 적외선 연속체에 의해 자극되어 진동 온도가 200–400 K로 산출되었다.
• HCN J=3–2의 선 날개는 350 pc 이상 (0.″4) 확장되어 있으며, 속도가 ±750 km s⁻¹에 도달하여 거대하고 밀도 높은 유출을 시사한다.
• 유출 영역의 HCN 농도는 상승해 있다 (X(HCN) ≈ 10⁻⁶), 이는 충격 또는 X선 조사에 의해 유도된 따뜻하고 밀도 높은 기체와 일치한다.