[논문 리뷰] The molecular circumnuclear disk (CND) in Centaurus A: A multi-transition CO and [CI] survey with Herschel, APEX, JCMT, and SEST

F. P. Israel, R. Güsten외 9명|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|2014. 02. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 라이온자리자리 은하의 핵외환 디스크(CND)에서 분자의 가스 질량을 처음으로 직접 측정하였으며, 그 결과 8.4 × 10⁷ M☉로 밝혀졌고, CO에서 H₂로의 변환 계수(X_CND)는 4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²로 밝혀졌으며, 이는 은하수 은하의 값보다 뚜렷하게 높다. 허셜, 애플렉스, 제이에스티, 세스트에서 확보한 다중 전이 CO 및 [CI] 선 관측을 통해 저자들은 확장된 얇은 디스크(ETD)에는 존재하지 않는 유일무리한 고에너지, 고밀도 상태의 가스를 밝혀내었으며, 이는 은하핵 활동성은하(AGN)에 의해 유도된 X선 지배 영역(XDR) 조건을 시사한다.

ABSTRACT

We present new CO and C^o line measurements of the compact circumnuclear disk in the center of NGC 128 (Centaurus~A) obtained with the Herschel Space Observatory, as well as SEST, JCMT, and APEX. The Cen A center CO ladder is quite different from those of either star-burst galaxies or AGNs. In addition, the relative intensity of the central Cen A [CI] emission lines is much greate than that in any other galaxy. The CO surface brightness of the compact circumnuclear disk (CND) is significantly higher than that of the much more extended thin disk (ETD) in the same line of sight. Our LVG and PDR/XDR models suggest that much of the CND gas is relatively cool (25 - 80 K) and not very dense (~ 300 cm^{-3}) if the heating is by UV photons, although there is some gas in both the CND and the ETD with a much higher density of ~30 000 cm^{-3}. Finally, there is also high-excitation, high-density phase in the CND (but not in the ETD), either in the form of an extreme PDR but more likely in the form of an XDR. The total gas mass of the Cen A CND is 8.4 x 10^{7} M(sun), uncertain by a factor of two. The CO-H2 conversion factor is 4 x 10^{20} K km/s, also within a factor of two.

연구 동기 및 목표

• 이전에 간접적으로 추정된 바 있었던, 라이온자리자리 은하의 핵외환 디스크(CND)에서 분자의 가스 질량과 CO에서 H₂로의 변환 계수(X_CND)를 결정하기 위해.
• 다양한 천체망원경에서 확보한 고J 상태의 CO 전이 및 [CI] 선을 분석하여 CND 가스의 흥분 및 물리적 조건을 특성화하기 위해.
• 관측된 선 밝기 분포를 분해하여, 밀집된 CND와 확장된 얇은 디스크(ETD)의 기여를 분리하기 위해.
• LVG 및 PDR/XDR 모델을 관측된 선 밝기 계층과 비교하여, 주로 가열 메커니즘이 PDR인지 XDR인지를 조사하기 위해.
• 관측된 고유한 선 강도 비율을 고려할 때, CND에서 CO와 [C I]가 냉각제로서 상대적으로 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 90–1000 GHz 범위에서 허셜/HIFI, 애플렉스, 제이에스티, 세스트를 이용하여 CO(J=1–13), ¹³CO(J=1–3), [CI](J=1–0, 2–1) 전이의 고스펙트럼 해상도 및 고감도 관측을 수행하였다.
• 관측된 CO 선 프로파일에서 밀집된 CND와 확장된 얇은 디스크(ETD)의 기여를 분리하기 위해 스펙트럼 선 분해를 수행하였다.
• 큰 속도 기울기(LVG) 모델을 적용하여 관측된 CO 밝기 비율에서 흥분 온도와 H₂ 수밀도를 유도하였다.
• 광분해 영역(PDR) 및 X선 지배 영역(XDR) 모델을 사용하여 관측된 선 강도를 해석하였으며, 특히 인접한 CO 선들에 비해 뚜렷하게 강한 [CI] 방출을 분석하였다.
• 기하 평균을 사용하여 불확실성을 감소시키기 위해 LVG 및 PDR/XDR 모델링 결과를 결합하여 CND의 총 분자 가스 질량을 계산하였다.
• 관측된 CO 밝기를 고J 전이(최대 J=15–14까지)로 외삽하여 총 CO 냉각을 추정하고, [C II] 및 [C I] 밝기와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이온자리자리 은하의 핵외환 디스크(CND)의 진정한 분자 가스 질량은 얼마이며, 이는 이전의 간접적 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 왜 라이온자리자리 은하의 CND에서 인접한 CO 선들에 비해 [C I] 방출이 다른 알려진 은하들보다 뚜렷하게 강한가?
• RQ3 분자 가스의 물리적 조건(온도, 밀도, 흥분)은 무엇이며, 이는 확장된 얇은 디스크(ETD)와 어떻게 다를까?
• RQ4 CND에서 주요 가열 메커니즘은 표준 PDR 모델과 일치하는가, 아니면 관측된 선 강도를 설명하기 위해 X선 지배 영역(XDR)이 필요한가?
• RQ5 CO, [C I], [C II]의 냉각 효율은 CND에서 어떻게 비교되는가, 그리고 이는 핵 영역의 에너지 예산에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 라이온자리자리 은하의 CND에서 총 분자 가스 질량은 8.4 × 10⁷ M☉이며, 오차 범위가 두 배 이내로, 이는 그 질량을 처음으로 직접 측정한 것이다.
• CO에서 H₂로의 변환 계수(X_CND)는 4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²로, 표준 은하수 은하 값의 약 두 배이며, 이는 분명히 다른 분자 가스 환경을 나타낸다.
• [C I] 선 강도는 인접한 CO 선들에 비해 뚜렷하게 강하다. [C I] J=1–0 선은 CO J=4–3 선을 초월하며, 이는 다른 어떤 은하에서도 관측되지 않은 특징이다.
• CND는 J=6–5와 J=7–6에서 피크를 보이며, 이후 느린 감소를 보이는 고유한 CO 선 밝기 계층을 나타내며, 이는 ETD와 대조적으로, ETD는 J=4–3에서 피크를 보이고 급격히 감소한다.
• CND는 ETD에 존재하지 않는 고밀도, 고에너지 상태의 가스(밀도 n_H₂ ≈ 3 × 10⁴ cm⁻³)를 포함하고 있어 극단적인 XDR 또는 PDR 단계의 존재를 시사한다.
• CND에서 CO는 최대 [C I] 냉각의 절반 이하의 냉각 기여를 하며, [C II] 냉각은 CO 냉각보다 약 10배 강하다. 이는 이온화된 탄소가 에너지 분산에서 지배적인 역할을 한다는 것을 의미한다.