[논문 리뷰] The gentle monster PDS 456: the kpc scale molecular outflow and its implications for QSO feedback

M. Bischetti, E. Piconcelli외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 73인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 국부 우주에서 가장 빛나는 비자기 QSO인 PDS 456에서 kpc 규모의 분자 플랑트를 처음으로 ALMA로 관측하였다 (L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹). 이 플랑트는 질량 플랑트 속도 ~290 M☉ yr⁻¹ 및 동역학 모멘텀 보정 ~0.36을 보이며, 에너지 보존 피드백 모델에 도전하고 있으며, 초광도 AGN에서 복사압 또는 비효율적 결합이 플랑트를 이끄는 것으로 나타난다.

ABSTRACT

We report on the first ALMA observation of the CO(3$-$2) and rest-frame ~340 GHz continuum emission in PDS 456, which is the most luminous, radio-quiet QSO in the local Universe ($z$~0.18), with a bolometric luminosity $L_{ m Bol}\sim10^{47}$ erg s$^{-1}$. ALMA angular resolution allowed us to map scales as small as ~700 pc. The molecular gas reservoir, traced by the core of the very bright CO(3$-$2) emission line, is distributed in a compact rotating disk, with size of ~1.3 kpc, seen close to face-on ($i$~25 deg). Fast CO(3$-$2) emission in the velocity range $v\in[-1000,+500]$ km s$^{-1}$ is also present. Specifically, we detect several blue-shifted clumps out to ~5 kpc from the nucleus, in addition to a compact ($R\lesssim1.2$ kpc), broad emission component. These components reveal a galaxy-wide molecular outflow, with a total mass $M_{ m mol}^{ m out}\sim2.5 imes10^8$ $M_{\odot}$ and a mass outflow rate $\dot{M}_{ m mol}\sim290$ $M_{\odot}$ yr$^{-1}$. The corresponding depletion time is ~8 Myr, shorter than the rate at which the molecular gas is converted into stars, indicating that the detected outflow is potentially able to quench star-formation in the host. The momentum flux of the molecular outflow normalised to the radiative momentum output (i.e. $L_{ m Bol}/c$) is $\lesssim1$, comparable to that of the X-ray ultra-fast outflow (UFO) detected in PDS 456. This is at odds with the expectations for an energy-conserving expansion suggested for most of the large-scale outflows detected in low-luminosity AGN so far. We suggest three possible scenarios that may explain this observation: (i) in very luminous AGN such as our target the molecular gas phase is tracing only a fraction of the total outflowing mass; (ii) a small coupling between the shocked gas by the UFO and the host-galaxy ISM (iii) AGN radiation pressure may play an important role in driving the outflow.

연구 동기 및 목표

• L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹인 초광도 QSO인 PDS 456에서 대규모 분자 플랑트의 성격과 추진 메커니즘을 조사하기 위해.
• 관측된 분자 플랑트가 일반적으로 AGN 피드백에 가정되는 에너지 보존 팽창 모델과 일치하는지 확인하기 위해.
• X선 초고속 플랑트(UFO)가 분자 플랑트를 유도하는 역할과 동역학 모멘텀 결합 효율을 평가하기 위해.
• 분자 및 이온화된 기체 상황에서 질량 플랑트 속도와 볼로메트릭 빛나는 빛의 크기 간의 스케일링 관계를 업데이트하기 위해.
• 낮은 동역학 모멘텀 보정이 초광도 AGN 환경에서 복사압과 같은 대체 피드백 메커니즘에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• PDS 456에서 CO(3–2) 복사와 고정 주파수 ~340 GHz 연속 복사를 맵핑하기 위해 고해상도 ALMA 관측을 수행하였다.
• 3D BAROLO 모델링을 사용하여 분자 기체의 운동학을 재구성하고, 회전 디스크 및 플랑트 성분을 식별하였다.
• 파랑 시프트된 CO(3–2) 복사 클러스터와 넓은 성분에서 질량 플랑트 속도 (Ṁ_mol) 및 동역학 모멘텀 유량 (Ṗ_mol)을 측정하였다.
• 에너지 보존 플랑트에 대한 이론적 기대와 비교하기 위해 동역학 모멘텀 보정 (Ṗ_mol / (L_Bol/c))을 계산하였다.
• PDS 456와 다른 QSO를 사용하여 Ṁ_mol과 L_Bol 간의 경험적 스케일링 관계를 유도하였으며, 동적 범위를 한 계급 증가시켰다.
• 에너지 보존 가정 하에 Ṁ_mol에 대한 빛의 세기 보정 모델을 제안하였으며, 고광도 QSO에서 낮은 동역학 비율을 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광도 QSO인 PDS 456의 분자 플랑트의 공간적 확장, 질량, 운동학은 어떠한가?
• RQ2 분자 플랑트의 동역학 모멘텀 보정이 AGN의 복사 동역학 모멘텀 출력과 비교하여 어떻게 되며, 이는 피드백 모델에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 분자 플랑트가 핵심 초고속 플랑트(UFO)에 의해 유도되는 에너지 보존 팽창과 일치하는가?
• RQ4 QSO에서 분자 및 이온화된 기체 상황의 질량 플랑트 속도는 볼로메트릭 빛나는 빛의 크기와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 AGN 복사압 또는 UFO와 은하간 매질(ISM) 간의 비효율적 결합이 PDS 456에서 관측된 낮은 동역학 모멘텀 보정을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• PDS 456에서 총 질량 ~2.5 × 10⁸ M☉, 질량 플랑트 속도 ~290 M☉ yr⁻¹인 kpc 규모의 분자 플랑트가 관측되었다.
• 분자 플랑트의 동역학 모멘텀 보정, Ṗ_mol / (L_Bol/c), 는 약 0.36로, UFO와 분자 플랑트를 모두 갖는 소스 중에서 지금까지 보고된 바 중 가장 낮은 값이다.
• 분자 기체의 고갈 시간스케일(τ_dep ~ 8 Myr)은 별 형성 시간스케일보다 현저히 짧아 별 형성 억제 가능성을 시사한다.
• PDS 456의 분자 질량 플랑트 속도는 L_Bol > 10⁴⁶ erg s⁻¹에서 평탄한 경향을 보이며, 이온화된 기체 플랑트 속도는 L_Bol ~ 10⁴⁸ erg s⁻¹까지 계속 증가한다.
• 분자 플랑트를 추진하는 데 필요한 에너지는 UFO가 약 10⁻³ Myr 내에 공급될 수 있으며, 이는 일시적인 폭발 또는 비효율적 에너지 결합을 시사한다.
• 낮은 동역학 모멘텀 보정은 표준 에너지 보존 모델에 도전하며, 동역학 비율이 1에 가까운 복사압과 같은 대체 메커니즘을 지지한다.