[논문 리뷰] Molecular line emission in NGC1068 imaged with ALMA: II. The chemistry of the dense molecular gas

S. Viti, S. García‐Burillo외 20명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 65인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 NGC 1068의 핵외 디스크에서 분자선의 ALMA 및 PdBI 관측을 통해 밀도 높은 기체 화학을 분석한다. 관측된 선 강도 비율을 설명하기 위해 밀도, 온도, 화학 조성이 서로 다른 다수의 기체 상이 필요하며, AGN 영역에서는 디스크 전역에 걸쳐 분자 탈구 및 화학적 분리가 뚜렷하게 나타남.

ABSTRACT

We present a detailed analysis of ALMA Bands 7 and 9 data of CO, HCO+, HCN and CS, augmented with Plateau de Bure Interferometer (PdBI) data of the ~ 200 pc circumnuclear disk (CND) and the ~ 1.3 kpc starburst ring (SB ring) of NGC~1068, a nearby (D = 14 Mpc) Seyfert 2 barred galaxy. We aim at determining the physical characteristics of the dense gas present in the CND and whether the different line intensity ratios we find within the CND as well as between the CND and the SB ring are due to excitation effects (gas density and temperature differences) or to a different chemistry. We estimate the column densities of each species in Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). We then compute large one-dimensional non-LTE radiative transfer grids (using RADEX) by using first only the CO transitions, and then all the available molecules in order to constrain the densities, temperatures and column densities within the CND. We finally present a preliminary set of chemical models to determine the origin of the gas. We find that in general the gas in the CND is very dense (> 10^5 cm^-3) and hot (T> 150K), with differences especially in the temperature across the CND. The AGN position has the lowest CO/HCO+, CO/HCN and CO/CS column density ratios. RADEX analyses seem to indicate that there is chemical differentiation across the CND. We also find differences between the chemistry of the SB ring and some regions of the CND; the SB ring is also much colder and less dense than the CND. Chemical modelling does not succeed in reproducing all the molecular ratios with one model per region, suggesting the presence of multi-gas phase components. The LTE, RADEX and chemical analyses all indicate that more than one gas-phase component is necessary to uniquely fit all the available molecular ratios within the CND.

연구 동기 및 목표

• NGC 1068의 핵외 디스크(CND) 및 성간 폭발 링에서 밀도 높은 분자 기체의 물리적 및 화학적 조건을 규명하기 위해.
• 관측된 선 강도 비율 변화가 에크시테이션 차이(밀도/온도)인지 화학적 분리인지를 분리해내기 위해.
• 은하 중심부에서 AGN 및 성간 폭발 피드백이 분자 기체 화학을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• LTE 및 RADEX 모델이 은하계 환경에서 관측된 분자 선 강도 비율을 재현하는 데 가지는 한계를 평가하기 위해.

제안 방법

• NGC 1068의 CND 및 성간 폭발 링에서 CO, HCO⁺, HCN, CS 전이에 대해 ALMA 밴드 7 및 9 데이터를 사용함.
• 지역 열역학적 평형(LTE) 모델을 적용하여 분자 종의 열량 밀도를 추정함.
• RADEX를 사용한 대규모 1차원 비-LTE 복사전달 모델링을 수행하여 기체 밀도, 온도, 열량 밀도를 제약함.
• RADEX 결과를 시간 의존성 기반 기체-먼지 화학 모델(UCL_CHEM)과 결합하여 각 영역의 화학적 원인을 탐색함.
• RADEX 해법을 화학 모델의 격자와 비교하여 관측된 선 강도 비율과의 일관성을 평가함.
• ALMA 해상도를 보완하기 위해 약 200 pc의 CND 및 약 1.3 kpc의 성간 폭발 링에 대해 PdBI 데이터를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 1068의 CND에서 밀도 높은 분자 기체의 물리적 조건(밀도, 온도, 열량 밀도)은 무엇인가?
• RQ2 CND 전역에서 관측된 분자 선 강도 비율 변화는 에크시테이션 차이인지 화학적 분리인지인가?
• RQ3 CND의 화학적 특성은 성간 폭발 링과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 단일 화학 모델이 CND 전역에서 관측된 분자 선 강도 비율을 재현할 수 있는가, 아니면 다상태 기체 성분 모델이 필요한가?
• RQ5 X선 및 우주선 이온화가 AGN 지배 영역의 분자 화학을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• CND는 매우 밀도 높은(n > 10⁵ cm⁻³) 고온(T > 150 K) 기체를 포함하며, AGN 위치에서는 CO/HCO⁺, CO/HCN, CO/CS 열량 밀도 비율이 가장 낮음.
• RADEX 모델링은 CND 전역에서 온도 변화가 뚜렷하다는 것을 시사하며, AGN 영역이 가장 뜨겁고 E Knot가 가장 춥다는 점을 확인함.
• 성간 폭발 링은 CND보다 상당히 낮은 온도와 낮은 밀도를 가지며, W Knot와 유사한 화학 조건을 가질 수 있으나, 더 낮은 에크시테이션 조건을 가짐.
• UCL_CHEM를 사용한 화학 모델링은 CND의 각 하위영역이 일반적으로 삼상 우주간 매질(ISM)을 포함할 가능성이 높으며, 높은 이온화 상태의 두 개의 밀도 높은 기체 상과 CS 및 가능성이 있는 HCN가 기인하는 충격파 성분이 있음을 시사함.
• 단일 화학 모델이 CND 전역에서 모든 관측된 비율을 재현하지 못한다는 점은, 데이터를 설명하기 위해 다수의 기체 상이 반드시 필요하다는 것을 시사함.
• CND의 물리적 및 화학적 복잡성을 완전히 규명하기 위해서는 ALMA 해상도에서 더 많은 분자 전이, 특히 진동적으로(excited) 자극된 선이 필요함.