[论文解读] 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. Güsten+9 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Feb 5, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用 7

一句话总结

本研究首次直接测量了半人马座A星系核环盘（CND）中的分子气体质量，测得其为8.4 × 10⁷ M☉，CO-to-H₂转换因子（X_CND）为4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²，显著高于银河系的值。利用赫歇尔、APEX、JCMT和SEST望远镜获取的多跃迁CO和[CI]谱线观测数据，作者揭示了CND中存在一种在延伸薄盘（ETD）中不存在的独特、高度激发、高密度的气体相，表明该区域受活动星系核（AGN）驱动，处于X射线主导区（XDR）条件之下。

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.

研究动机与目标

• 确定半人马座A星系核环盘（CND）中分子气体质量及CO-to-H₂转换因子（X_CND），此前该值仅通过间接方法估算。
• 通过分析多个望远镜获取的高J阶CO跃迁和[CI]谱线，表征CND气体的激发态与物理条件。
• 利用谱线分解技术，分离CND与延伸薄盘（ETD）在观测谱线发射中的贡献。
• 通过比较LVG模型与PDR/XDR模型对观测到的谱线光度阶梯的拟合，探究主导加热机制是PDR还是XDR。
• 评估CO与[CI]在CND中作为冷却剂的相对重要性，尤其针对观测到的独特线强度比。

提出的方法

• 在90–1000 GHz频段范围内，利用赫歇尔/HIFI、APEX、JCMT和SEST望远镜，对CO（J=1–13）、¹³CO（J=1–3）和[CI]（J=1–0, 2–1）跃迁进行高 spectral 分辨率、高灵敏度的观测。
• 执行谱线分解，以分离观测CO谱线轮廓中来自紧凑CND与延伸薄盘（ETD）的贡献。
• 应用大速度梯度（LVG）模型，根据观测到的CO光度比推导出激发温度与H₂数密度。
• 使用光致分解区（PDR）和X射线主导区（XDR）模型，解释观测到的谱线强度，特别是[CI]辐射相对于邻近CO线异常强烈的特征。
• 结合LVG与PDR/XDR模型结果，通过几何平均法降低不确定性，计算CND的总分子气体质量。
• 将观测到的CO光度外推至更高J阶跃迁（最高至J=15–14），以估算总CO冷却效率，并与[C II]和[CI]光度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 半人马座A星系核环盘（CND）的真实分子气体质量是多少？与以往的间接估算相比有何差异？
• RQ2 为何半人马座A星系CND中的[CI]辐射相对于邻近CO线显著增强，且在所有已知星系中均无此现象？
• RQ3 CND中分子气体的物理条件（温度、密度、激发态）如何？与延伸薄盘（ETD）中的条件有何不同？
• RQ4 CND中主导加热机制是否与标准PDR模型一致？是否需要引入X射线主导区（XDR）模型才能解释观测到的谱线强度？
• RQ5 CO、[CI]与[C II]在CND中的冷却效率如何比较？这对核区能量收支有何启示？

主要发现

• 半人马座A星系CND的总分子气体质量为8.4 × 10⁷ M☉，不确定性约为两倍，这是对该区域质量的首次直接测量。
• CO-to-H₂转换因子（X_CND）为4 × 10²⁰ K km s⁻¹ cm⁻²，约为标准银河系值的两倍，表明其分子气体环境具有显著差异。
• [CI]谱线强度相对于邻近CO线异常强烈，其中[CI] J=1–0线的强度甚至超过CO J=4–3线，这一特征在其他任何星系中均未观测到。
• CND表现出独特的CO谱线光度阶梯，峰值出现在J=6–5与J=7–6，随后缓慢下降；而ETD的光度阶梯则在J=4–3处达到峰值并迅速衰减。
• CND含有高比例的致密、高度激发气体（n_H₂ ≈ 3 × 10⁴ cm⁻³），而ETD中并不存在此类气体，表明存在极端XDR或PDR相。
• 在CND中，CO提供的冷却效率至多仅为[CI]的一半，而[C II]的冷却效率约为CO的十倍，凸显了电离碳在能量耗散中的主导作用。