[논문 리뷰] Study of the Inner Structure of the Molecular Torus in IRAS 08572+3915 NW with Velocity Decomposition of CO Rovibrational Absorption Lines

Shusuke Onishi, Takao Nakagawa외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 128인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 ULIRG IRAS 08572+3915 NW 방향으로 4.67 µm 부근에서 고해상도(R ~10,000) 근적외선 스펙트로스코피를 이용해 CO 회전-진동 흡수선을 분석하여 속도 분해를 수행하였으며, 세 개의 별개 성분을 밝혀내었다: 약 −160 km s⁻¹에 위치한 두 개의 확산 및 좁은 외부 유동 성분과 약 +100 km s⁻¹에 위치한 한 개의 내부 유동 성분. 속도 분산 비율(1:5:17)은 내부 영역에서 클러스터가 외부로 유동하고 외부 영역에서 유입이 일어나는 회전하는 토러스를 시사하며, 강한 운동온도 기울기(Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ)가 유추된다. 이는 관측된 구조를 설명하기 위해 밀도 변동이 최소 두 계단 이상인 자기유체역학 모델이 필요하다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Understanding the inner structure of the clumpy molecular torus surrounding the active galactic nucleus is essential in revealing the forming mechanism. However, spatially resolving the torus is difficult because of its size of a few parsecs. Thus, to probe the clump conditions in the torus, we performed the velocity decomposition of the CO rovibrational absorption lines ($\Delta{v}=0 o 1,\ \Delta{J}=\pm 1$) at $\lambda\sim 4.67\,\mathrm{\mu{m}}$ observed toward an ultraluminous infrared galaxy IRAS 08572+3915 NW with the high-resolution spectroscopy ($R\sim 10{,}000$) of Subaru Telescope. Consequently, we found that each transition had two outflowing components, i.e., (a) and (b), both at approximately $\sim -160\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, but with broad and narrow widths, and an inflowing component, i.e., (c), at approximately $\sim +100\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, which were attributed to the torus. The ratios of the velocity dispersions of each component lead to those of the rotating radii around the black hole of $R_\mathrm{rot,a}:R_\mathrm{rot,b}:R_\mathrm{rot,c}\approx 1:5:17$, indicating the torus where clumps are outflowing in the inner regions and inflowing in the outer regions if a hydrostatic disk with $\sigma_V\propto R_\mathrm{rot}^{-0.5}$ is assumed. Based on the kinetic temperature of components (a) and (b) of $\sim 720\,\mathrm{K}$ and $\sim 25\,\mathrm{K}$ estimated from the level population, the temperature gradient is $T_\mathrm{kin}\propto R_\mathrm{rot}^{-2.1}$. Magnetohydrodynamic models with large density fluctuations of two orders of magnitude or more are necessary to reproduce this gradient.

연구 동기 및 목표

• IRAS 08572+3915 NW의 AGN에서 발생하는 분자 토러스의 내부 구조를 탐색하기 위해, 몇 파섹 규모로 공간적으로 해상도가 낮아 관측이 어려운 점을 고려한다.
• CO 회전-진동 흡수선의 속도 성분 분해를 통해 토러스 내 개별 클러스터의 운동 및 물리 조건을 규명한다.
• 회전하는 디스크 모델을 가정하고 σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ일 때, 속도 분산으로부터 유입 및 유출 클러스터의 공간 분포를 유추한다.
• 수준 분포 분석을 통해 운동온도와 면밀한 밀도를 추정하여 토러스의 열적 구조를 제약한다.

제안 방법

• Subaru 망원경를 이용해 약 4.67 µm 부근에서 CO 회전-진동 전이(v=0→1, ΔJ=±1)의 고해상도 근적외선 스펙트로스코피(R ~10,000)를 수행한다.
• CO 흡수선의 속도 분해를 통해 세 개의 별개 성분을 분리한다: 약 −160 km s⁻¹에 위치한 두 개의 유동 성분과 +100 km s⁻¹에 위치한 한 개의 유입 성분.
• 관측된 투과도를 가우시안 성분으로 피팅하여, FWHM 및 중심 속도를 포함한 선 파arameter를 결정한다.
• 볼츠만 분포를 이용해 회전 전이의 수준 분포에서 흥분 온도를 유도한다.
• CO 및 얼음 특징의 투과도와 통합 밴드 강도를 기반으로 분자 면밀한 밀도를 추정한다.
• 회전하는 디스크 모델을 가정하고 σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ일 때, 속도 분산으로부터 유도된 회전 반경(Rrot)을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO 회전-진동 선의 속도 분해를 통해 IRAS 08572+3915 NW의 분자 토러스 내 개별 클러스터의 운동 상태(유입/유출)는 무엇인가?
• RQ2 다른 성분의 속도 분산이 중심 블랙홀에서의 반경 거리와 어떻게 관련되어 있는가? 이는 회전하는 디스크 모델을 가정할 때 어떻게 해석되는가?
• RQ3 CO 전이의 수준 분포 분석을 바탕으로 토러스의 운동온도 구조는 어떻게 되며, 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측된 온도 기울기(Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ)는 기존의 자기유체역학 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 얼음 특징(CO 및 OCN⁻)은 흡수에 어떤 기여를 하는가? 그 운동학적 특성은 토러스의 열적 및 운동학적 역사에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• CO 회전-진동 흡수선은 세 개의 별개 속도 성분을 보여준다: 약 −160 km s⁻¹에 위치한 두 개의 유동 성분(확산 및 좁음)과 +100 km s⁻¹에 위치한 한 개의 유입 성분.
• 성분 (a), (b), (c)에 대한 속도 분산 비율(1:5:17)은 유도된 회전 반경 Rrot,a : Rrot,b : Rrot,c ≈ 1 : 5 : 17를 시사하며, 내부 영역은 유동하고 외부 영역은 유입이 일어나는 것을 의미한다.
• 성분 (a)의 운동온도는 약 720 K, (b)는 약 25 K이며, 강한 온도 기울기 Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ가 유도된다.
• 관측된 온도 기울기는 최소 두 계단 이상의 밀도 변동이 포함된 자기유체역학 모델이 있어야만 재현될 수 있다.
• CO 얼음 특징는 각각 두 개의 좁은 가우시안 성분(FWHM ~0.0033 µm)으로 가장 잘 피팅되며, 저온의 얼음이 존재하고 청색 시프트 및 빨간색 시프트 성분이 있음을 시사한다.
• 비극성 CO 얼음(CO2가 주된 성분 및 순수)의 면밀한 밀도는 각각 6±1×10¹⁶ cm⁻² 및 9±1×10¹⁶ cm⁻²로 추정되며, OCN⁻ 얼음은 2.2±0.4×10¹⁶ cm⁻²이다.