[논문 리뷰] VLA Detection of RRLs from the radio nucleus of NGC 253 : Ionization by a weak AGN, an obscured SSC or a compact SNR ?

Niruj R. Mohan, K. R. Anantharamaiah외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 04. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 VLA 관측을 통해 NGC 253의 해상도가 해제된 라디오 핵에서 8.3 및 15 GHz에서 넓은 라디오 재결합선(RRLs)을 검출하여, 밀도가 약 ~10⁴ cm⁻³이고 질량이 수천 태양질량에 이르는 이온화 기체를 드러낸다. 필요한 이온화 복사율(~6–20×10⁵¹ 광자 s⁻¹)은 표준 얇은 디스크 모델에 비해 X선 복사율이 너무 낮기 때문에, 내부에 ADAF(흡열지배적 유동)가 있고 외부에 얇은 디스크가 있는 하이브리드 적층 디스크를 가진 약한 AGN에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 은하수 외부에서의 첫 번째 잠재적 RRL 검출이다.

ABSTRACT

We have imaged the H92alpha and H75alpha radio recombination line (RRL) emissions from the starburst galaxy NGC 253 with a resolution of ~4 pc. The peak of the RRL emission at both frequencies coincides with the unresolved radio nucleus. Both lines observed towards the nucleus are extremely wide, with FWHM of ~200 km /s. Modeling the RRL and radio continuum data for the radio nucleus shows that the lines arise in gas whose density is ~10^4 \cc and mass is few thousand Msun, which requires an ionizing flux of (6-20)x10^{51} photons /s. We consider a SNR expanding in a dense medium, a star cluster and also an AGN as potential ionizing sources. Based on dynamical arguments, we rule out an SNR as a viable ionizing source. A star cluster model was considered and the dynamics of the ionized gas in a stellar-wind driven structure was investigated. Such a model is consistent with the properties of the ionized gas only for a cluster younger than ~10^5 years. The existence of such a young cluster at the nucleus seems improbable. The third model assumes the ionizing source to be an AGN at the nucleus. In this model, it was shown that the observed X-ray flux is too weak to account for the required ionizing photon flux. However, the ionization requirement can be explained if the accretion disk is assumed to have a Big Blue Bump in its spectrum. Hence, we favor an AGN at the nucleus as the source responsible for ionizing the observed RRLs. A hybrid model consisting of a inner ADAF disk and an outer thin disk is suggested, which could explain the radio, UV and the X-ray luminosities of the nucleus.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 VLA 영상 분석을 통해 NGC 253의 라디오 핵에서 관측된 넓은 라디오 재결합선(RRL) 방출의 기원을 규명하기 위해.
• 이온화 원인이 압축된 초신성 잔재물(SNR), 젊은 성간 클러스터, 또는 약한 활성 은하핵(AGN)인지 확인하기 위해.
• RRL 및 라디오 연속체 데이터를 사용하여 이온화 기체의 물리적 조건(밀도, 질량, 이온화 복사율)을 모델링하기 위해.
• SNR, 별풍에 의해 구동되는 클러스터, AGN 모델이 관측된 RRL 선의 넓이와 복사율을 어떻게 설명할 수 있는지 검증하기 위해.
• 핵의 라디오, 자외선, X선 빛의 강도를 동시에 설명할 수 있는 통합된 적층 디스크 모델을 제안하기 위해.

제안 방법

• 8.3 GHz(H92α) 및 15 GHz(H75α)에서 A-형태의 고해상도(0.35″ × 0.22″) VLA 관측을 수행하여 RRL 및 연속체 방출을 영상화하기 위해.
• Hanning 스무딩을 사용하여 채널 복사상에서 기브스 레이킹을 억제하기 위해 AIPS 소프트웨어를 사용하여 데이터를 정리하기 위해.
• 라인 데이터 큐브를 구성하고 동일한 해상도로 변형하여 RRL 및 연속체 방출의 공동 분석을 가능하게 하기 위해.
• 균일한 밀도, 광학적 이온화 기체 영역을 가정하고 이온화 구조 및 광학적 두께 효과를 고려하여 RRL 및 연속체 방출을 모델링하기 위해.
• 초신성 잔재물(SNR)과 별풍에 의해 구동되는 클러스터가 이온화 원인일 수 있는지 평가하기 위해 천체역학 모델을 적용하기 위해.
• 내부에 ADAF(흡열지배적 유동)와 외부에 얇은 디스크가 있는 하이브리드 적층 디스크 모델을 제안하여 다파장 빛의 강도를 설명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 253의 라디오 핵에서 관측된 넓은(FWHM ~200 km s⁻¹) 라디오 재결합선의 기원은 무엇인가?
• RQ2 압축된 초신성 잔재물(SNR)이 관측된 RRL 특성과 필요한 이온화 복사율을 설명할 수 있는가?
• RQ3 10⁵년 미만의 젊은 성간 클러스터가 핵의 관측된 이온화 기체에 대해 타당한 이온화 원인일 수 있는가?
• RQ4 관측된 X선 복사율만으로 필요한 이온화 광자율(~6–20×10⁵¹ 광자 s⁻¹)을 설명할 수 있는가?
• RQ5 내부에 ADAF와 외부에 얇은 디스크가 결합된 하이브리드 적층 디스크 모델이 동시에 핵의 라디오, 자외선, X선 빛의 강도를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• H92α 및 H75α RRL 방출은 정확히 해상도가 해제된 라디오 핵에서 최고조에 도달하며, FWHM 선 너비가 약 ~200 km s⁻¹로, 밀도가 높고 압축된 이온화 영역을 나타낸다.
• 이온화 기체는 밀도가 약 ~10⁴ cm⁻³이며 질량이 수천 태양질량에 이르며, 이온화 광자율 6–20×10⁵¹ 광자 s⁻¹가 필요하다.
• 역학적 제약 조건으로 인해 압축된 SNR 모델은 배제된다. 그러한 잔재물은 관측된 선 너비와 밀도 프로파일을 생성할 수 없다.
• 젊은 성간 클러스터 모델은 클러스터 연령이 약 ~2.5×10⁴년 미만이어야만 관측 결과를 설명할 수 있으나, 이는 광학/적외선 서명이 없기 때문에 매우 부도덕하다고 간주된다.
• 관측된 X선 복사율은 필요한 이온화 복사율을 설명하기에 너무 낮아, AGN에 대해 표준 얇은 디스크 모델을 배제한다.
• 내부에 ADAF와 외부에 얇은 디스크가 결합된 하이브리드 적층 디스크 모델이 다파장 데이터를 가장 잘 설명하며, 핵이 약한 AGN를 포함하고 있으며 외부 디스크에 빨간색 빛의 강한 피크(Big Blue Bump)가 존재할 가능성이 있다.