[논문 리뷰] Mid-infrared emission of galactic nuclei: TIMMI2 versus ISO observations and models

R. Siebenmorgen, E. Krügel외 1명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2003. 10. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 58인용 수 99

한 줄 요약

이 연구는 대규모 개구부(ISO)와 핵 해상도(TIMMI2) 관측을 통해 은하핵의 중적외선(MIR) 스펙트럼을 비교하여 AGN와 성우활동을 구분한다. 그 결과, 성우활동에서 강한 PAH 발광이 있지만, 고에너지 복사장에서 광분해되면서 AGN에서는 억제되거나 존재하지 않음을 발견하였다. 복사전달 모델은 고에너지 광자율(>20 eV, >10³ erg cm⁻² s⁻¹)에서 PAH가 증발됨을 확인하였으며, 이는 MIR PAH 밴드가 성우활동이 AGN 활동보다 지배적인지를 진단하는 데 유용하다.

ABSTRACT

We investigate the mid-infrared radiation of galaxies that are powered by a starburst or by an AGN. For this end, we compare the spectra obtained at different spatial scales in a sample of infrared bright galaxies. ISO observations which include emission of the nucleus as well as most of the host galaxy are compared with TIMMI2 spectra of the nuclear region. We find that ISO spectra are generally dominated by strong PAH bands. However, this is no longer true when inspecting the mid-infrared emission of the pure nucleus. Here PAH emission is detected in starbursts whereas it is significantly reduced or completely absent in AGNs. A physical explanation of these new observational results is presented by examining the temperature fluctuation of a PAH after interaction with a photon. It turns out that the hardness of the radiation field is a key parameter for quantifying the photo-destruction of small grains. Our theoretical study predicts PAH evaporation in soft X-ray environments. Radiative transfer calculations of clumpy starbursts and AGN corroborate the observational fact that PAH emission is connected to starburst activity whereas PAHs are destroyed near an AGN. The radiative transfer models predict for starbursts a much larger mid-infrared size than for AGN. This is confirmed by our TIMMI2 acquisition images: We find that the mid-infrared emission of Seyferts is dominated by a compact core while most of the starbursts are spatially resolved.

연구 동기 및 목표

• 중적외선 스펙트럼 진단을 통해 적외선 빛나는 은하에서 AGN와 성우활동을 구분하기.
• 대규모 개구부(ISO)와 핵 해상도(TIMMI2) 관측을 비교하여 중적외선 발광의 공간 분포를 조사하기.
• 핵 영역에서 PAH 발광의 생존 여부가 은하핵의 주요 에너지원을 진단하는 데 사용될 수 있는지 테스트하기.
• 고에너지 복사장에서 PAH가 광분해되는 물리적 조건을 모델링하기.
• 소스 유형에 따라 중적외선 발광 영역의 크기를 정량화하여, 밀도와 AGN 활동 간의 연관성을 규명하기.

제안 방법

• 23개의 은하핵에 대해 ISO(14"–24" 해상도)와 TIMMI2(3" 및 0.5" 해상도)를 사용하여 중적외선 스펙트로스코피를 확보하였다.
• 은하 전체 및 핵 영역을 통합한 ISO 스펙트럼과 핵 영역에 국한된 TIMMI2 스펙트럼을 비교하여 핵 내부의 본질적 발광을 분리하였다.
• 먼지 입자에 대한 Mie 이론을 사용하여 덩어리진, 성우 및 AGN 유사 환경에서의 먼지 가열을 시뮬레이션하기 위해 복사전달 모델을 적용하였다.
• PAH의 광증발 임계값을 포함하여, 에너지가 >20 eV이고 조도가 >10³ erg cm⁻² s⁻¹인 단일 에너지 광자장에서의 생존 가능성을 계산하였다.
• Loar & Draine(1993)의 탄소 및 실리케이트 입자에 대한 광학 상수와 이전 연구에서 확보한 PAH 파arameter를 사용하였다.
• 12 및 25 μm에서 SED 및 공간 강도 프로파일(횡단면)을 시뮬레이션하여, 성우활동과 AGN에서의 중적외선 발광의 크기와 밀도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중적외선 핵 스펙트럼에서의 PAH 발광은 성우활동과 AGN 지배 은하를 구분하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 핵 환경에서 PAH가 파괴되는 물리적 조건은 무엇이며, AGN와 성우활동 간에 어떻게 다를까?
• RQ3 중적외선 발광의 공간 범위는 중심 에너지원의 성격과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 부드러운 X선은 AGN 환경에서 PAH의 광증발에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 핵 스펙트럼 대 비핵 스펙트럼 간의 PAH 밴드 강도 비율이 주요 에너지원을 진단하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• TIMMI2 이미징은 시프터 핵이 중적외선에서 작고 뭉쳐져 있음을 확인하였고, 성우활동은 공간적으로 분리되어 있어 더 큰 발광 영역을 가짐을 시사한다.
• ISO 스펙트럼(19개 중 18개)은 6.2, 7.7, 8.6, 11.3 μm PAH 밴드가 강하게 나타나지만, AGN의 TIMMI2 핵 스펙트럼에서는 이 밴드가 없거나 크게 감소되어 있다.
• 탄소 원자가 100개 미만인 PAH는 에너지가 >20 eV이고 조도가 >10³ erg cm⁻² s⁻¹인 복사장에서는 생존할 수 없으며, 이는 광증발의 임계값을 의미한다.
• 복사전달 모델은 동일한 빛의 세기에서 성우 은하가 AGN보다 더 강하고 더 넓게 퍼진 중적외선 발광을 생성함을 보여주며, 이는 광범위한 PAH 발광 때문임을 시사한다.
• SIV(10.5 μm) 및 NeII(12.8 μm)의 급진선은 ISO 스펙트럼에서 TIMMI2 스펙트럼보다 더 강하게 나타나, 이들이 핵 외부의 확장된 간성중성물질에서 기인함을 시사한다.
• 핵 스펙트럼에서 PAH 밴드의 검출은 성우활동의 신뢰할 수 있는 지표이며, 그 부재는 특히 고에너지 복사장에서 AGN 지배를 시사한다.