[논문 리뷰] The Galactic Centre Chimney

G. Ponti, F. Hofmann외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 34인용 수 35

한 줄 요약

논문은 은하 중심 굴뚝(Galactic Centre Chimneys)의 발견을 보고하며 약 100–160 pc 규모의 두드러진 X선 구조가 은하 중심을 Fermi 버블에 연결하고, 에너지 특성, 형태 및 간헐적 GC 바람과 연계된 가능한 구동 메커니즘을 논의한다.

ABSTRACT

Evidence has increasingly mounted in recent decades that outflows of matter and energy from the central parsecs of our Galaxy have shaped the observed structure of the Milky Way on a variety of larger scales. On scales of ~15 pc, the Galactic centre has bipolar lobes that can be seen in both X-rays and radio, indicating broadly collimated outflows from the centre, directed perpendicular to the Galactic plane. On far larger scales approaching the size of the Galaxy itself, gamma-ray observations have identified the so-called Fermi Bubble features, implying that our Galactic centre has, or has recently had, a period of active energy release leading to a production of relativistic particles that now populate huge cavities on both sides of the Galactic plane. The X-ray maps from the ROSAT all-sky survey show that the edges of these cavities close to the Galactic plane are bright in X-rays. At intermediate scales (~150 pc), radio astronomers have found the Galactic Centre Lobe, an apparent bubble of emission seen only at positive Galactic latitudes, but again indicative of energy injection from near the Galactic centre. Here we report the discovery of prominent X-ray structures on these intermediate (hundred-parsec) scales above and below the plane, which appear to connect the Galactic centre region to the Fermi bubbles. We propose that these newly-discovered structures, which we term the Galactic Centre Chimneys, constitute a channel through which energy and mass, injected by a quasi-continuous train of episodic events at the Galactic centre, are transported from the central parsecs to the base of the Fermi bubbles.

연구 동기 및 목표

• 중간 규모(~100–200 pc) 은하 중심 지역의 새로운 X선 구조(굴뚝)를 특징화한다.
• 굴뚝의 물리적 성질(온도, 밀도, 압력)과 은하 중심 로브(GCL) 및 Fermi 버블과의 연결을 조사한다.
• 굴뚝과 관련 된 바람의 구동 에너지와 가능한 구동 메커니즘을 평가한다.
• 굴뚝 특성과 이미 알려진 GC 바람 특성 및 홀로 구조와의 비교를 통해 기원과 구속을 추론한다.

제안 방법

• XMM-Newton와 Chandra X선 관측을 결합하여 은하의 중심 약 300×500 pc를 차지하는 미확산 방출을 매핑한다.
• 다중 구성요소 XSPEC 모델링(Tbabs(apec+pow+gauss+gauss)+Tbabs apec)을 사용해 플라즈마 온도와 발광능을 도출한다.
• 깊이 가정(±15 pc 로브에 대해 15 pc, 굴뚝 및 고위도 방출에 대해 150 pc)을 이용해 밀도와 압력 프로파일을 도출하고 면적 밝기로 n과 P를 추정한다.
• 공간적으로 해상도 측정을 위한 등이진 경계(bin) 분할(contbin)을 사용해 균일한 S/N 영역을 생성한다.
• 은하 적도성(n_H), kT, 면적 밝기의 경사 프로파일을 비교하여 굴뚝을 잠재적 바람 채널로 해석한다.
• 열 에너지 및 음향 도약 시간으로부터 에너지 예산을 추정하여 특징들의 동력 요구를 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 북부 및 남부 은하 중심 굴뚝이 중앙 GC 지역 및 GCL과 물리적으로 연결되어 있는가?
• RQ2 굴뚝의 온도, 밀도, 압력 프로파일은 무엇이며, 이것이 구속 또는 바람 특성에 대해 시사하는 바는 무엇인가?
• RQ3 굴뚝이 내측 ±15 pc 로브의 연속선상에 있는가, 아니면 더 넓은 바람 성분의 구분된 특징인가?
• RQ4 굴뚝과 그 연결된 Fermi 버블에 대한 에너지 예산 및 구동 메커니즘(초신성, 조석 붕괴 사건, 또는 Sgr A* 활동 등)은 무엇이 가능한가?
• RQ5 자기장, ISM 구조, 은하 날씨가 이 특징들의 형태와 구속성에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• 은하 중심에서 북쪽으로 약 160 pc까지의 경계가 뚜렷하고 가장자리가 밝은 껍질 모양의 구조(굴뚝)가 형성되어 있으며, 은하 중심을 bulge와 GCL 및 X선 모서리 영역과 중첩되게 연결한다.
• 굴뚝은 약 160 pc 길이에 걸쳐 대략 일정한 플라즈마 온도 kT ~ 0.7–0.8 keV를 보이며, 밀도는 대략 30 pc 부근에서 ~0.2 cm^-3에서 160 pc에서 ~0.1 cm^-3로 감소한다.
• 위도 프로파일은 압력 구배를 시사하여 바람 시나리오를 지지하며, 에너지 내용과 기하가 정적 halo 특징이 아니라 바람 채널임을 보여준다.
• 굴뚝에서 X선 발열 가스의 열에너지는 약 4×10^52 erg이며, 약 3×10^5년의 시간 척도에서 추정 파워는 약 4×10^39 erg s^-1로, 성간 형성의 바람이나 조석 붕괴 사건이 에너지원일 수 있음을 시사한다.
• Sgr A* 근처의 ±15 pc 로브와 굴뚝은 간헐적 에너지 방출에 의해 구동되는 두 가지 구분된 바람으로부터 발생해, 굴뚝은 GC를 Fermi 버블에 연결하는 채널 역할을 하는 것으로 보인다.
• 가능한 채움 비율과 금속성 가정을 가정할 때, 형태는 빽빽한 ISM 상의 구속 또는 자기 압력(B 약 60–90 μG)에 의해 지지되며, 분산된 평면 기원의 에너지 주입을 시사한다.