[논문 리뷰] RadioAstron discovery of a mini-cocoon around the restarted parsec-scale jet in 3C 84

T. Savolainen, G. Giovannini외 20명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

5 GHz 및 22 GHz에서의 RadioAstron 위성-VLBI를 활용하여, 이 연구는 3C 84의 재시작된 퍼섹스케일 제트 주변에 이전에 발견되지 않은 저세기의 미니-코코넛을 규명하였다. 이는 제트 에너지의 약 50%가 밀도가 높은 중심 매질 속에서 팽창하는 뜨거운 압축 플라즈마 기포로 전달됨을 시사하며, 코코넛의 압력은 제트의 실린더형 형태를 설명하고 항성간 매질로의 에너지 전달을 증가시킨다.

ABSTRACT

We present RadioAstron space-based very long baseline interferometry (VLBI) observations of the nearby radio galaxy 3C84 (NGC1275) at the centre of the Perseus cluster. The observations were carried out on September 21-22, 2013 and involved a global array of 24 ground radio telescopes observing at 5 GHz and 22 GHz, together with the Space Radio Telescope (SRT). Furthermore, the Very Long Baseline Array (VLBA) and the phased Very Large Array (VLA) observed the source quasi-simultaneously at 15 GHz and 43 GHz. Fringes between the ground array and the SRT were detected on baseline lengths up to 8.1 times the Earth's diameter, providing unprecedented resolution for 3C 84 at these wavelengths. We note that the corresponding fringe spacing is 125 microarcsec at 5 GHz and 27 microarcsec at 22 GHz. Our space-VLBI images reveal a previously unseen sub-structure inside the compact 1 pc long jet that was ejected about ten years earlier. In the 5 GHz image, we detected, for the first time, low-intensity emission from a cocoon-like structure around the restarted jet. Our results suggest that the increased power of the young jet is inflating a bubble of hot plasma as it carves its way through the ambient medium of the central region of the galaxy. Here, we estimate the minimum energy stored in the mini-cocoon, along with its pressure, volume, expansion speed, and the ratio of heavy particles to relativistic electrons, as well as the density of the ambient medium. About half of the energy delivered by the jet is dumped into the mini-cocoon and the quasi-spherical shape of the bubble suggests that this energy may be transferred to a significantly larger volume of the interstellar medium than what would be accomplished by the well-collimated jet on its own. The pressure of the hot mini-cocoon also provides a natural explanation for the almost cylindrical jet profile seen in the 22 GHz RadioAstron image.

연구 동기 및 목표

• 초장거리를 활용한 위성-VLBI를 통해 3C 84 제트의 상세 구조를 초고각 해상도로 해석함으로써, 이전에 없던 해상도를 확보한다.
• 페르세우스 성운 은하 NGC 1275의 중심 영역에서 제트-주변 매질 상호작용의 에너지 예산과 물리적 조건을 조사한다.
• 관측된 제트 형태와 저세기 발광 구조가 재시작된 제트에 의해 팽창된 압축 코코넛에 의해 설명될 수 있는지 규명한다.
• 동기광 방출 및 에너지 보존 원리를 기반으로, 미니-코코넛의 최소 에너지, 압력, 확장 속도, 주변 밀도를 추정한다.
• 단순한 제트보다도 미니-코코넛이 항성간 매질로의 에너지 전달을 얼마나 증가시키는지 평가한다.

제안 방법

• 8.1개 지구 지름에 이르는 기준선을 확보한 총 24개 지상 전파망원경과 함께 RadioAstron 위성을 이용해 5 GHz 및 22 GHz에서 위성-VLBI 관측을 수행하였다.
• 모르피즘과 스펙트럼 특성을 교차 검증하기 위해 15 GHz 및 43 GHz에서의 준시각적 VLBA 및 프레이징-VLA 관측 데이터를 통합하였다.
• 프리지 상관관계 및 어在此 식별 기반의 합성형성 이미징을 통해 125 μas(5 GHz) 및 27 μas(22 GHz)의 각 해상도로 미세한 구조를 해석하였다.
• 최소 에너지 및 균형 분포 가정을 적용하여 코코넛 구조 내 에너지 함량, 압력 및 입자 분포 비율(k)을 추정하였다.
• 시간에 따라 변화하는 운동학적 데이터로부터 제트 머리의 추진 속도를 유도하고, 형태 모델링을 통해 코코넛의 확장 속도와 비율을 계산하였다.
• 최소 에너지 조건과 관측된 동기광 손실 시간 상수를 균형 잡은 바탕으로 주변 매질의 밀도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5 GHz에서 3C 84 제트의 내부 1 pc 영역에서 이전에 발견되지 않은 미세 구조의 물리적 구조는 무엇인가?
• RQ2 미니-코코넛에 얼마나 많은 에너지가 투입되었으며, 총 제트 에너지의 몇 퍼센트가 이 구조로 향하는가?
• RQ3 미니-코코넛의 압력이 22 GHz 및 43 GHz 이미지에서 관측된 실린더형 제트 형태를 설명할 수 있는가?
• RQ4 미니-코코넛의 추정 연령 및 확장 속도는 무엇이며, 제트 머리의 추진 속도와 비교해 보면 어떠한가?
• RQ5 최소 에너지 조건 하에서 미니-코코넛을 봉인하기 위해 필요한 주변 매질 밀도는 얼마이며, 독립적인 추정치와 비교해 보면 어떠한가?

주요 결과

• 5 GHz에서 3C 84의 퍼섹스케일에서 처음으로 저세기의 코코넛 유사 구조를 탐지하였으며, 이는 재시작된 제트에 의해 팽창된 뜨거운 플라즈마 기포의 존재를 시사한다.
• 미니-코코넛에 저장된 최소 에너지는 (3–4) × 10⁵¹(1+k)⁴/⁷ sin⁻³/⁷θ erg로 추정되며, k ≲ 30일 경우 제트 에너지의 약 50%가 코코넛으로 전달된 것으로 간주된다.
• 주변 매질의 밀도는 ρₐ ≳ 5 × 10⁻²⁴(1+k)⁴/⁷ sin⁴/⁷θ g cm⁻³로 추정되며, k ≲ 20일 경우 Fujita & Nagai (2017)의 결과와 일치한다. 또한, 패러데이 회전 측정치의 상한선보다 높아, 제트가 주변 매질보다 가벼운 것으로 나타나, 매질이 제트를 봉인하는 데 기여한다.
• 미니-코코넛은 약 0.1c의 속도로 횡방향으로 팽창하며, 비율이 1.4로, 단순한 좁은 제트보다 훨씬 더 큰 항성간 매질 부피를 처리할 수 있다.
• 뜨거운 미니-코코넛의 압력은 22 GHz 및 43 GHz 이미지에서 관측된 실린더형 제트 프로파일을 자연스럽게 설명하며, 오랫동안 남아 있던 형태적 수수께끼를 해결한다.
• 동기광 손실 시간 상수가 10년 미만의 코코넛 연령과 일치하며, 이는 소스에서 관측된 제트 재시작 시점과도 부합한다.