[论文解读] The gentle monster PDS 456: the kpc scale molecular outflow and its implications for QSO feedback

M. Bischetti, E. Piconcelli+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 73被引用 26

一句话总结

本研究首次通过ALMA探测到PDS 456中尺度为千秒差距的分子外流，PDS 456是本地宇宙中亮度最高的无辐射喷流类QSO（L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹）。该外流的质量外流速率约为290 M☉ yr⁻¹，动量增益约为0.36，挑战了能量守恒反馈模型，表明在极端明亮AGN中，辐射压力或低效耦合可能是驱动外流的机制。

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.

研究动机与目标

• 研究超亮QSO PDS 456中大尺度分子外流的性质及其驱动机制，其L_Bol ~ 10^47 erg s⁻¹。
• 确定观测到的分子外流是否与通常用于AGN反馈的、假设为能量守恒膨胀的模型一致。
• 评估X射线超快外流（UFO）在激发分子外流中的作用，并评估动量耦合效率。
• 推导分子气体和电离气体相中质量外流速率与总辐射光度之间的更新标度关系。
• 探讨低动量增益对替代反馈机制（如极端AGN环境中辐射压力）的启示。

提出的方法

• 在1.3 mm波段进行高分辨率ALMA观测，以绘制PDS 456中CO(3–2)发射线和约340 GHz的红移系频谱连续成分。
• 采用三维BAROLO建模方法重建分子气体的运动学，识别出旋转盘和外流组分。
• 从蓝移CO(3–2)发射团块和宽线成分中测量分子质量外流速率（Ṁ_mol）和动量通量（Ṗ_mol）。
• 计算动量增益（Ṗ_mol / (L_Bol/c)），并与能量守恒外流的理论预期进行比较。
• 利用PDS 456及其他QSO的数据，推导出Ṁ_mol与L_Bol之间的经验标度关系，将动态范围扩展了一个数量级。
• 提出基于光度校正的能量守恒假设下的Ṁ_mol模型，预测在高光度QSO中动量比更低。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超亮QSO PDS 456中，分子外流的空间范围、质量及运动学特性如何？
• RQ2 分子外流的动量增益与AGN的辐射动量输出相比如何？这对反馈模型有何启示？
• RQ3 观测到的分子外流是否与由核区超快外流（UFO）驱动的能量守恒膨胀一致？
• RQ4 在QSO中，分子相和电离相的质量外流速率如何随总辐射光度变化？
• RQ5 AGN辐射压力或UFO与ISM之间低效耦合是否可解释PDS 456中观测到的低动量增益？

主要发现

• 在PDS 456中探测到一个尺度为千秒差距的分子外流，总质量约为2.5 × 10⁸ M☉，质量外流速率约为290 M☉ yr⁻¹。
• 分子外流的动量增益（Ṗ_mol / (L_Bol/c)）约为0.36，是目前在同时具有UFO和分子外流的源中报道的最小值。
• 分子气体耗尽 timescale（τ_dep ~ 8 Myr）显著短于恒星形成 timescale，表明恒星形成可能被抑制。
• 在L_Bol > 10⁴⁶ erg s⁻¹时，PDS 456中的分子质量外流速率呈现平坦化趋势，而电离气体外流速率则持续增加至L_Bol ~ 10⁴⁸ erg s⁻¹。
• 驱动分子外流所需的能量可在约10⁻³ Myr内由UFO提供，提示可能为短暂爆发事件或能量耦合效率低下。
• 低动量增益挑战了标准的能量守恒模型，支持替代机制如辐射压力，后者预测动量比接近于1。