[論文レビュー] Mid-infrared emission of galactic nuclei: TIMMI2 versus ISO observations and models

R. Siebenmorgen, E. Krügel+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 20, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 58被引用数 99

ひとこと要約

本研究では、ISO（大口径）とTIMMI2（核分解能）による銀河核のミッドインフラレッド（MIR）スペクトルを比較し、AGNとスターバースト活動を区別する。PAH発光—スターバーストで強く観測されるが、強力な放射場で光分解を受けるためAGNでは抑制または欠落することが判明。放射線輸送モデルにより、PAHは高エネルギー光子フラックス（>20 eV、>10³ erg cm⁻² s⁻¹）条件下で蒸発することが確認され、MIRのPAHバンドはスターバーストが支配的であるかを示す診断指標となる。

ABSTRACT

We investigate the mid-infrared radiation of galaxies that are powered by a starburst or by an AGN. For this end, we compare the spectra obtained at different spatial scales in a sample of infrared bright galaxies. ISO observations which include emission of the nucleus as well as most of the host galaxy are compared with TIMMI2 spectra of the nuclear region. We find that ISO spectra are generally dominated by strong PAH bands. However, this is no longer true when inspecting the mid-infrared emission of the pure nucleus. Here PAH emission is detected in starbursts whereas it is significantly reduced or completely absent in AGNs. A physical explanation of these new observational results is presented by examining the temperature fluctuation of a PAH after interaction with a photon. It turns out that the hardness of the radiation field is a key parameter for quantifying the photo-destruction of small grains. Our theoretical study predicts PAH evaporation in soft X-ray environments. Radiative transfer calculations of clumpy starbursts and AGN corroborate the observational fact that PAH emission is connected to starburst activity whereas PAHs are destroyed near an AGN. The radiative transfer models predict for starbursts a much larger mid-infrared size than for AGN. This is confirmed by our TIMMI2 acquisition images: We find that the mid-infrared emission of Seyferts is dominated by a compact core while most of the starbursts are spatially resolved.

研究の動機と目的

• ミッドインフラレッドスペクトル診断を用いて、赤外線で明るい銀河におけるAGNとスターバースト活動を区別すること。
• 大口径（ISO）と核分解能（TIMMI2）観測を比較することで、ミッドインフラレッド発光の空間的分布を調査すること。
• 核領域におけるPAH発光の存続が、銀河核における支配的エネルギー源を診断できるかどうかを検証すること。
• 高エネルギー放射場におけるPAHの光分解が起こる物理的条件をモデル化すること。
• 発光領域のサイズをソースの種別ごとに定量的に評価し、コンパクト性とAGN活動の関連を明らかにすること。

提案手法

• 23個の銀河核に対して、ISO（14"–24"分解能）およびTIMMI2（3"および0.5"分解能）を用いたミッドインフラレッド分光観測を実施。
• 主に銀河と核を統合したISOスペクトルと、核領域のみを対象としたTIMMI2スペクトルを比較し、核領域固有の発光を分離。
• Mie理論を用いたダスト粒子の放射線輸送モデルを適用し、クラスタ型の星形成環境およびAGN風に類似した環境におけるダスト加熱を模擬。
• PAHの光蒸発閾値を組み込み、光子エネルギーが20 eVを超える単一エネルギー放射場（フラックス >10³ erg cm⁻² s⁻¹）下での生存確率を計算。
• 炭素およびケイ酸塩粒子の光学定数にはLoar & Draine (1993)の値を、PAHパラメータには先行研究の結果を用いた。
• SEDおよび12 μmおよび25 μmでの空間的強度プロファイル（断面図）をシミュレートし、スターバーストとAGNにおけるミッドインフラレッド発光のサイズとコンパクト性を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミッドインフラレッド核スペクトルにおけるPAH発光は、スターバーストとAGN支配の銀河を区別できるか？
• RQ2 核環境におけるPAHの破壊を引き起こす物理的条件は何か。AGNとスターバーストではどのように異なるか？
• RQ3 ミッドインフラレッド発光の空間的広がりは、中心エネルギー源の性質とどのように相関するか？
• RQ4 ソフトX線はAGN環境におけるPAHの光蒸発にどの程度寄与するか？
• RQ5 核スペクトルと拡張スペクトルにおけるPAHバンド強度比は、支配的エネルギー源を診断する指標としてどの程度有効か？

主な発見

• TIMMI2画像は、セイフェルト核がミッドインフラレッドでコンパクトであるのに対し、スターバーストは空間的に分解可能であることを確認しており、スターバーストでは発光領域がより広がっていることを示している。
• ISOスペクトル（19個中18個）では、6.2、7.7、8.6、11.3 μmのPAHバンドが強く観測されたが、AGNのTIMMI2核スペクトルではこれらのバンドが欠落または著しく低下している。
• 炭素原子数が100個未満のPAHは、光子エネルギーが20 eVを超える放射場およびフラックスが10³ erg cm⁻² s⁻¹を超える環境では生存できないことが判明し、光蒸発の閾値が特定された。
• 放射線輸送モデルの結果、同程度の明るさのスターバースト銀河は、PAH発光が広範囲に広がるため、AGNよりも強くかつより広がったミッドインフラレッド発光を示す。
• 細分光線[ S IV ]（10.5 μm）および[ Ne II ]（12.8 μm）は、ISOスペクトルではTIMMI2スペクトルよりも強く観測されており、これは核外部の拡張した星間媒体からの起源であることを示している。
• 核スペクトルにおけるPAHバンドの検出はスターバースト活動の信頼できる指標であり、その欠如は特に硬い放射場下でAGN支配を示唆する。