[논문 리뷰] Molecular gas chemistry in AGN. II. High-resolution imaging of SiO emission in NGC1068: shocks or XDR?

S. García‐Burillo, A. Usero외 8명|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 66인용 수 40

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 PdBI 관측을 통해 NGC 1068의 은하핵 주변 디스크에서 관측된 SiO와 CN 농도의 향상 원인을 조사한다. SiO와 HNCO/CH₃OH 비율은 충격이 설명할 수 있으나, X선 조사(이하 XDR) 화학이 CN과 SiO의 고농도를 가장 잘 설명하며, 이는 딱딱한 X선 조사와 강하게 상관관계를 이룬다. 이는 NGC 1068의 CND가 거대한 XDR임을 시사한다.

ABSTRACT

This paper is part of a multi-species survey of line emission from the molecular gas in the circum-nuclear disk (CND) of the Seyfert 2 galaxy NGC1068. Single-dish observations have provided evidence that the abundance of silicon monoxide(SiO) in the CND of NGC1068 is enhanced by 3-4 orders of magnitude with respect to the values typically measured in quiescent molecular gas in the Galaxy. We aim at unveiling the mechanism(s) underlying the SiO enhancement. We have imaged with the IRAM Plateau de Bure interferometer the emission of the SiO(2-1) and CN(2--1) lines in NGC1068 at 150pc and 60pc spatial resolution, respectively. We have also obtained complementary IRAM 30m observations of HNCO and methanol (CH3OH) lines. SiO is detected in a disk of 400pc size around the AGN. SiO abundances in the CND of (1-5)xE-09 are about 1-2 orders of magnitude above those measured in the starburst ring. The overall abundance of CN in the CND is high: (0.2-1)xE-07. The abundances of SiO and CN are enhanced at the extreme velocities of gas associated with non-circular motions close to the AGN (r<70pc). Abundances measured for CN and SiO, and the correlation of CN/CO and SiO/CO ratios with hard X-ray irradiation, suggest that the CND of NGC1068 has become a giant X-ray dominated region (XDR). The extreme properties of molecular gas in the circum-nuclear molecular disk of NGC1068 result from the interplay between different processes directly linked to nuclear activity. Whereas XDR chemistry offers a simple explanation for CN and SiO in NGC1068, the relevance of shocks deserves further scrutiny. The inclusion of dust grain chemistry would help solve the controversy regarding the abundances of other molecular species, like HCN, which are under-predicted by XDR models.

연구 동기 및 목표

• NGC 1068의 은하핵 주변 디스크(CND)에서 관측된 SiO와 CN의 극도의 농도 향상 원인을 규명하는 것.
• CND 내 분자 농도를 결정짓는 주요 과정으로서 충격 유도 화학과 X선 지배 영역(XDR) 화학 간의 차이를 밝히는 것.
• 비원형 운동과 고속 기체가 화학적 분화 및 분자선 강도 향상에 미치는 영향을 평가하는 것.
• XDR 모델이 관측된 SiO, CN, CO의 농도 비율을 설명할 수 있는지 평가하고, HCN 예측의 불일치를 해결하기 위해 먼지 입자 화학이 필요한지 여부를 검토하는 것.
• 150 pc 및 60 pc 해상도로 분자 기체의 공간적 및 운동학적 구조를 맵핑하여 화학적 비정상성과 은하핵 활동 간의 연관성을 규명하는 것.

제안 방법

• IRAM Plateau de Bure Interferometer(PdBI)를 이용해 SiO(2–1) 86.8 GHz 및 CN(2–1) 226.8 GHz의 고해상도 간섭계 관측을 수행하였으며, 각각 150 pc 및 60 pc의 공간 해상도를 확보하였다.
• 충격된 기체를 추적하기 위해 보완적으로 30m 전용 망원경을 이용한 HNCO 및 CH₃OH 선 관측을 수행하였으며, 은하계의 대표적인 충격 영역과의 선 비율을 비교하였다.
• CND 전역에서 공간 해상도를 갖춘 선 비율(SiO/CO, CN/CO)을 계산하여 화학적 분화 정도를 평가하고, X선 조사 지도와의 상관관계를 분석하였다.
• SiO 및 CN 방출의 운동학적 분석을 통해 원형 운동에서의 이탈을 탐지하였으며, 반경 70 pc 이내에서 비원형 및 비공면 운동을 확인하였다.
• 속도 적분 선 강도와 CO 방출을 기준으로 농도 계산을 수행하여, 각각 X(SiO)는 1–5×10⁻⁹ 범위, X(CN)는 0.2–1×10⁻⁷ 범위의 값을 도출하였다.
• 관측된 농도 경향과 비교하기 위해 이론적 XDR 화학 모델을 분석하였으며, 특히 딱딱한 X선 조사와의 상관관계를 통해 SiO/CO 및 CN/CO 비율의 변화를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1068의 CND에서 SiO의 3–4개 주기의 농도 향상 원인이 되는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 은하계의 충격 영역과 유사한 HNCO/SiO 및 CH₃OH/SiO 비율을 고려할 때, 충격 화학만으로 CND에서 관측된 선 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ3 왜 NGC 1068에서의 고농도 CN과 SiO는 충격 또는 PDR 화학 모델과 모두 일치하지 않는가?
• RQ4 X선 조사(XDR)가 CND 내 SiO와 CN의 관측된 공간적 및 운동학적 패턴을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 관측된 SiO 및 CN의 농도 비율이 딱딱한 X선 조사와 어떻게 상관관계를 이루며, 이는 CND 내 주요 화학 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• SiO 방출은 은하핵을 중심으로 한 400 pc 지름의 디스크를 따라 퍼져 있으며, 최고 농도는 (1–5)×10⁻⁹로, 성성별 링보다 1–2개 주기 높다.
• SiO/CO 밝기 온도 비율은 은하핵 및 서쪽 덩어리 근처에서 약 0.10–0.12로 최고에 이르며, 고속에서의 화학적 분화를 나타낸다.
• CN 방출은 유사한 크기의 CND에서 관측되었으며, 전체 농도는 (0.2–1)×10⁻⁷이며, 은하핵 근처에서 CN/CO 비율 최고치는 약 0.30이다.
• 반경 ≤70 pc 범위의 고속 SiO 및 CN 방출은 극도의 비원형 운동과 강하게 상관관계를 보이며, 역학적으로 교란된 기체에서 화학적 향상가 발생했음을 시사한다.
• SiO 및 CN의 농도와 딱딱한 X선 조사와의 상관관계는 X선 지배 영역(XDR) 화학이 충격 또는 PDR과는 다르게 가장 잘 설명함을 시사하며, 이는 XDR 화학이 주요 메커니즘이다.
• HNCO/SiO 및 CH₃OH/SiO 비율은 은하계 충격 영역과 유사하지만, CN의 강도와 농도는 충격 모델로는 재현되지 않으며, 이는 XDR가 주요 메커니즘임을 지지한다.