[논문 리뷰] Inflowing gas onto a compact obscured nucleus in Arp 299A: Herschel spectroscopic studies of H2O and OH

N. Falstad, E. González-Alfonso외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 88인용 수 11

한 줄 요약

Herschel 적외선 및 submillimeter 스펙트로스코피를 활용하여 Arp 299A의 밀도 높은 은둔 핵에서 유입 중인 분자 기체를 연구하였으며, 흡수 및 발산 상태에서 여러 개의 H2O 및 OH 선을 검출하였다. 분석 결과, 고표면광도 핵 성분이 Compton 두꺼운 상태이며 극도로 높은 분자 농도를 지닌 것으로 나타났고, 적색 이동된 기본 상태의 OH 선은 저운동 에너지 유입을 시사하며, 높은 16O/18O 비율 (>400)을 지닌 분자 유입에 의해 공급되는 복합 AGN/은하계 별성 활동을 지지한다.

ABSTRACT

Aims. We probe the physical conditions in the core of Arp 299A and try to put constraints to the nature of its nuclear power source. Methods. We used Herschel Space Observatory far-infrared and submillimeter observations of H2O and OH rotational lines in Arp 299A to create a multi-component model of the galaxy. In doing this, we employed a spherically symmetric radiative transfer code. Results. Nine H2O lines in absorption and eight in emission as well as four OH doublets in absorption and one in emission, are detected in Arp 299A. No lines of the 18O isotopologues, which have been seen in compact obscured nuclei of other galaxies, are detected. The absorption in the ground state OH doublet at 119 μm is found redshifted by ~175 km/s compared to other OH and H2O lines, suggesting a low excitation inflow. We find that at least two components are required in order to account for the excited molecular line spectrum. The inner component has a radius of 20-25 pc, a very high infrared surface brightness (> 3e13 Lsun/kpc^2), warm dust (Td > 90 K), and a large H2 column density (NH2 > 1e24 cm^-2). The outer component is larger (50-100 pc) with slightly cooler dust (70-90 K). In addition, a much more extended inflowing component is required to also account for the OH doublet at 119 μm. Conclusions. The Compton-thick nature of the core makes it difficult to determine the nature of the buried power source, but the high surface brightness indicates that it is either an active galactic nucleus and/or a dense nuclear starburst. The high OH/H2O ratio in the nucleus indicates that ion-neutral chemistry induced by X-rays or cosmic-rays is important. Finally we find a lower limit to the 16O/18O ratio of 400 in the nuclear region, possibly indicating that the nuclear starburst is in an early evolutionary stage, or that it is fed through a molecular inflow of, at most, solar metallicity.

연구 동기 및 목표

• Arp 299A의 핵심부에서의 물리 조건을 규명하기 위해.
• 숨겨진 핵심 에너지원의 성격을 규명하고, 활동성 은하핵(AGN)과 핵심 별성 활동을 구분하기 위해.
• 핵심 활동의 연료 공급에 분자 기체의 유입이 어떤 역할을 하는지 조사하기 위해.
• 특히 16O/18O 비율을 결정하여 핵심 기체 저축지의 진화 단계 또는 금속성 농도를 추론하기 위해.

제안 방법

• Arp 299A에서 H2O 및 OH 전이 선의 Herschel 우주선 관측기의 적외선 및 submillimeter 스펙트로스코피.
• 관측된 선형형 및 강도를 맞추기 위해 구형 대칭 모델을 사용한 다성분 복사전달 모델링.
• 흡수 및 발산 선형형 분석, 운동학적 특성을 추론하기 위해 적색 이동 측정 수행.
• 관측된 선 강도 및 연속 스펙트럼 수준을 합성 모델과 비교하여 열역학적 온도, 열량 밀도, 농도를 유도.
• 18O 이소토폴로그의 비검출을 통해 16O/18O 비율에 하한선 설정.
• 다른 공간 성분에서의 먼지 온도, H2 열량 밀도 및 분자 농도 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Arp 299A의 핵 영역에서 분자 기체의 운동 상태는 어떠하며, 이는 기체의 유입을 시사하는가?
• RQ2 밀도 높은 핵에서 고적외선 표면광도의 물리적 기원은 무엇이며, 이는 AGN, 별성 활동, 또는 둘 다에 의해 발생하는가?
• RQ3 핵 영역에서의 이소토프 16O/18O 비율은 얼마이며, 이는 기체의 금속성 또는 진화 단계에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 H2O 및 OH 농도는 핵에서 복사장과 이온-중성기 화학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Compton 투과도는 중심 에너지원을 어떻게 은폐시키며, 이는 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 흡수 상태에서 9개의 H2O 선과 발산 상태에서 8개의 H2O 선, 흡수 상태에서 4개의 OH 双중선과 발산 상태에서 1개의 OH 双중선이 검출되어 핵 영역에서 극도로 높은 진동 상태를 시사한다.
• 기본 상태의 OH 119 μm 双중선은 약 175 km s⁻¹만큼 적색 이동되어 있어 저운동 에너지 기체의 유입을 나타낸다.
• 내부 성분은 반지름 20–25 pc, 먼지 온도 T_d > 90 K, H2 열량 밀도 >10²⁴ cm⁻², 적외선 표면광도 ≥3×10¹³ L☉ kpc⁻²를 가진다.
• 핵에서 H2O 및 OH 농도는 매우 높으며, H2O ≈ 1–5×10⁻⁶ 및 OH ≈ 0.5–5×10⁻⁵로 H 핵에 대한 상대 농도로 나타난다.
• 16O/18O 비율 >400이 추정되어 핵심 별성 활동이 초기 진화 단계이거나 최대 태양 금속성 이하의 가공되지 않은 기체로 공급된다는 것을 시사한다.
• 18OH 및 H₂¹⁸O 선의 비검출은 핵에서 X선 또는 우주선에 의해 유도되는 이온-중성기 화학이 지배적임을 시사한다.