[논문 리뷰] Probing highly obscured, self-absorbed galaxy nuclei with vibrationally excited HCN

S. Aalto, S. Martin F. Costagliola외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 26.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 (U)LIRGs에서 표준 상태의 HCN 및 HCO+ 선이 자기흡수 및 연속기 흡수로 인해 실패하는 고도로 은폐된 밀집 은하핵에서 진동적으로 자극된 HCN (HCN-VIB)의 J=3–2 및 4–3 전이가 강력한 탐사수단임을 보여준다. HCN-VIB 복사선은 H2 열량 밀도 >10^24 cm⁻² 및 중간적외선 표면 빛줄기 >5×10^13 L⊙ kpc⁻²인 매장된 활성 은하핵 또는 극한의 성간성 폭발을 드러내며, 강한 피드백이 작용하기 이전에 빠르게 진화하는 핵 영역을 식별하고 고유 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 복원하는 데 새로운 도구를 제공한다.

ABSTRACT

We present high resolution (0."4) IRAM PdBI and ALMA mm and submm observations of the (ultra) luminous infrared galaxies ((U)LIRGs) IRAS17208-0014, Arp220, IC860 and Zw049.057 that reveal intense line emission from vibrationally excited ($ν_2$=1) J=3-2 and 4-3 HCN. The emission is emerging from buried, compact (r<17-70 pc) nuclei that have very high implied mid-infrared surface brightness $>$$5 imes 10^{13}$ L$_{\odot}$ kpc$^{-2}$. These nuclei are likely powered by accreting supermassive black holes (SMBHs) and/or hot (>200 K) extreme starbursts. Vibrational, $ν_2$=1, lines of HCN are excited by intense 14 micron mid-infrared emission and are excellent probes of the dynamics, masses, and physical conditions of (U)LIRG nuclei when H$_2$ column densities exceed $10^{24}$ cm$^{-2}$. It is clear that these lines open up a new interesting avenue to gain access to the most obscured AGNs and starbursts. Vibrationally excited HCN acts as a proxy for the absorbed mid-infrared emission from the embedded nuclei, which allows for reconstruction of the intrinsic, hotter dust SED. In contrast, we show strong evidence that the ground vibrational state ($ν$=0), J=3-2 and 4-3 rotational lines of HCN and HCO$^+$ fail to probe the highly enshrouded, compact nuclear regions owing to strong self- and continuum absorption. The HCN and HCO$^+$ line profiles are double-peaked because of the absorption and show evidence of non-circular motions - possibly in the form of in- or outflows. Detections of vibrationally excited HCN in external galaxies are so far limited to ULIRGs and early-type spiral LIRGs, and we discuss possible causes for this. We tentatively suggest that the peak of vibrationally excited HCN emission is connected to a rapid stage of nuclear growth, before the phase of strong feedback.

연구 동기 및 목표

• 표준 추적자가 극도의 흡수로 인해 실패하는 고도로 은폐되고 밀집된 (U)LIRGs의 은하핵을 식별하고 특성화하는 것.
• 진동적으로 자극된 HCN (HCN-VIB)이 H2 열량 밀도 >10^24 cm⁻²인 영역에서 조밀한 기체와 핵 활동을 신뢰성 있게 탐지할 수 있는지 조사하는 것.
• 매장된 빛줄기 원천의 고유한 더운 먼지 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 HCN-VIB 복사선을 중간적외선 복사량의 대체 지표로 사용하여 복원하는 것.
• 선형 프로파일과 역학적 징후를 분석하여 HCN-VIB 복사선을 보이는 핵의 진화 단계를 규명하는 것.

제안 방법

• IRAM Plateau de Bure 간섭계와 ALMA를 사용하여 고해상도(0.4") 밀리미터 및 서브밀리미터 관측을 수행하였다.
• 진동적으로 자극된 HCN (ν₂ = 1, J=3–2 및 4–3) 복사선을 밀집된 핵 영역의 조밀하고 뜨거운 기체의 추적자로 목표로 하였다.
• 자기흡수 및 연속기 흡수의 영향을 평가하기 위해 기저 상태 HCN 및 HCO+ (ν=0) 선과 HCN-VIB를 비교하였다.
• 매장된 원천의 고유한 중간적외선 빛줄기 강도를 대체 지표로 HCN-VIB 복사선을 사용하여 스펙트럼 에너지 분포(SED) 재구성을 수행하였다.
• 선형 프로파일 분석을 통해 핵 영역 내 비원형 운동, 예를 들어 유입 또는 유출 기체를 추론하였다.
• CH2NH, HOC+, HC3N, CH3OH, H2S 등의 추가 분자선 탐지로 화학적 및 물리적 조건에 대한 추가 제약 조건을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 기저 상태 HCN 및 HCO+ 선이 자기흡수 및 연속기 흡수로 인해 억제되는 조건에서 진동적으로 자극된 HCN (HCN-VIB)이 고도로 은폐된 밀집 은하핵을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 (U)LIRGs에서 강력한 HCN-VIB 복사선의 물리적 기원은 무엇이며, 이는 초거대 블랙홀의 물질 집적 또는 극한의 성간성 폭발을 나타내는가?
• RQ3 HCN-VIB 복사선의 존재가 깊이 매장된 핵에서 비원형 운동 또는 유출과 같은 핵 역학과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 HCN-VIB 복사선이 얼마나 높은 흡수를 겪는 시스템에서 매장된 원천의 고유한 더운 먼지 SED를 재구성하는 데 활용될 수 있는가?
• RQ5 왜 HCN-VIB 복사선은 ULIRGs와 초기형 나선파라지 LIRGs에서만 탐지되며, 이는 핵 활동의 진화 단계에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 진동적으로 자극된 HCN (ν₂ = 1, J=3–2 및 4–3) 복사선이 네 개의 (U)LIRGs인 Arp220, IRAS17208-0014, IC860, Zw049.057에서 탐지되었으며, 모두 반경 <17–70 pc인 밀집된 매장된 핵을 가진다.
• 핵 영역은 매우 높은 중간적외선 표면 빛줄기 >5×10^13 L⊙ kpc⁻²를 나타내며, 극도로 강력한 매장된 빛줄기 원천을 시사한다.
• HCN-VIB 복사선은 H2 열량 밀도가 10^24 cm⁻²를 초과하는 영역에서 기인하며, 이는 기저 상태 HCN 및 HCO+ 선이 자기흡수 및 연속기 흡수로 강하게 억제됨을 의미한다.
• HCN-VIB 선형 프로파일은 자기흡수된 기저 상태 선과 달리 이중피크형이 아니며, 이는 복사선이 밀집되고 은폐된 핵의 중심에서 유래함을 시사한다.
• 강력한 HCN-VIB 복사선을 보이는 은하들은 비원형 운동의 증거를 보이며, IC860에서는 역전 P-Cygni 프로파일이 관측되어 기체의 유입을 시사하고, 강한 피드백이 시작되기 이전의 빠른 핵 성장 단계와 암시적으로 연관된다.
• 풍부한 분자선 스펙트럼이 탐지되었으며, 특히 IC860과 Zw049.057에서 높은 강도의 CH2NH, HOC+, HC3N, CH3OH, H2S 복사선이 관측되어 핵 영역의 극도로 극한의 물리 조건을 나타낸다.