[논문 리뷰] The outflow of gas from the Centaurus A circumnuclear disk: atomic spectral line maps from Herschel-PACS and APEX

F. P. Israël, R. Guêsten외 3명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2016. 11. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 허셀-PACS 및 APEX에서 확보한 적외선 원격 감지 스펙트럼 맵을 이용하여 중심 은하계의 원핵 디스크(CND) 내 기체의 물리적 조건과 기체 분출 역학을 조사한다. 연구 결과, 60 km s⁻¹의 기체 분출과 약 2 M⊙ yr⁻¹의 질량 분출률이 확인되었으며, 이는 블랙홀의 질량 축적률보다 약 세 배수 높은 것으로, 중심 엔진으로부터의 강력한 피드백을 시사한다. 이 피드백은 블랙홀 주변의 공극 내에서 발생하는 충격파에 의해 주로 유도된 것으로 보인다.

ABSTRACT

The physical state of the gas in the central 500 pc of NGC~5128 (the radio galaxy Centaurus A - Cen A), was investigated using the far-infrared fine-structure lines of carbon, oxygen, and nitrogen, as well as the CO(4-3) molecular line. The circumnuclear disk (CND) is traced by emission from dust and the neutral gas ([CI] and CO). A gas outflow with a line-of-sight velocity of 60 km/s is evident in both species. The center of the CND is bright in [OI], [OIII], and [CII]; [OI]63mu emission dominates that of [CII] even though it is absorbed with optical depths of 1.0-1.5. The outflow is well-traced by the [NII] and [NIII] lines and also seen in the [CII] and [OIII] lines that peak in the center. Ionized gas densities are moderate in the CND and low everywhere else. Neutral gas densities range from 4000 per cm3 (outflow, extended thin disk ETD) to 20 000 per cm3 (CND). The CND radiation field is weak compared to the ETD starburst field. The outflow has a much stronger radiation field. The total mass of all the CND gas is 9 x 10^(7) M(o) and the mass of the outflowing gas is only 15%-30% of that. The outflow most likely originates from the shock-dominated CND cavity surrounding the central black hole. With a factor of three uncertainty, the mass outflow rate is about 2 M(o)/yr, a thousand times higher than the accretion rate of the black hole. Without replenishment, the CND will be depleted in 15-120 million years. However, the outflow velocity is well below the escape velocity.

연구 동기 및 목표

• NGC 5128(센터라우스 A)의 중심 500 pc 내 기체의 물리적 상태, 특히 원핵 디스크(CND) 내 기체의 상태를 규명하는 것.
• 원자 미세구조선과 CO 복사선에서 관측된 기체 분출의 기원과 역학을 조사하는 것.
• CND와 분출 기체의 질량, 밀도, 복사장 및 이온화 구조를 정량화하는 것.
• 충격파와 피드백이 분출을 유도하고 CND 기체 저축량을 고갈시키는 데 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 핵심 원자 및 분자 전이의 고해상도 적외선 스펙트럼 맵을 확보: [C II] 158 μm, [C I] 608 μm, [O I] 63 μm, [O III] 88 μm, [N II] 122 μm, [N III] 57 μm, 그리고 ¹²CO (4-3) 1.2 mm.
• 복사전달 모델링과 선비율 진단을 통해 공간적으로 해상도가 높은 선 방출을 이용해 기체 밀도, 온도 및 이온화 분율을 유도하는 것.
• 고정된 CO-에서-H₂ 전환 계수를 가정하여 [C I] 및 CO 선 빛의 강도를 이용해 CND 내 총 기체 질량을 9.1 × 10⁷ M⊙로 추정하는 것.
• 선속도 이동(60 km s⁻¹)과 분출 성분의 투영 질량을 통합하여 질량 분출률을 계산하며, 불확도는 주로 관측 각도와 질량 캘리브레이션에 의해 결정된다.
• CND(G₀ ≈ 4)와 분출 영역(G₀ ≈ 130)의 복사장 강도를 비교하여 에너지원과 자극 메커니즘을 평가하는 것.
• 강한 흡수에도 불구하고 고도의 [O I] 및 [N II] 선 강도와 H₂ 충격 트레이서와의 공간적 상관관계를 통해 충격 자극을 유추하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 센터라우스 A 중심부에서 기체 분출의 기원과 운동학적 구조는 무엇인가?
• RQ2 원핵 디스크 내 기체의 물리적 조건(밀도, 온도, 이온화도)이 분출 영역 및 확장된 얇은 디스크 영역과 비교하여 어떻게 다를까?
• RQ3 중성 및 이온 기체의 질량 분출률은 얼마이며, 블랙홀 질량 축적률과 비교해 보면 어떠한가?
• RQ4 분출을 주도하는 주요 에너지원은 무엇인가? 충격파, AGN 복사, 또는 항성 피드백인가?
• RQ5 CND 기체 저축량은 분출로 얼마나 고갈되었으며, 재충전 없이 현재의 분출을 얼마나 오랫동안 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 원핵 디스크(CND)의 총 기체 질량은 9.1 × 10⁷ M⊙이며, 중성 기체 밀도는 약 20,000 cm⁻³, 온도는 45 K이다.
• CND는 중성 기체(90%)로 주로 구성되어 있으며, 태양 금속성의 약 3/4이며, 먼지 대 기체 비율이 260으로 매우 높아 높은 먼지 함량을 나타낸다.
• 분출 기체는 [C I], CO, [C II], [N II], [N III] 선에서 60 km s⁻¹의 선속도로 관측되었으며, [N II] 및 [N III] 선에서 분출 성분의 강도가 가장 높았다.
• 질량 분출률은 약 2 M⊙ yr⁻¹로 추정되었으며, 불확도는 약 3배로, 추정된 블랙홀 질량 축적률보다 약 세 배수 높았다.
• 분출 영역의 복사장(G₀ ≈ 130)은 CND(≈4)보다 현저히 강력하여, 충격파에 의해 가열된 것으로 보이며, 이는 강화된 가열을 시사한다.
• [O I] 63 μm 선은 CND 중심에서 냉각을 주도하고 있으며, 광학 두께 τ ≈ 1.0–1.5에도 불구하고 중심 공극에서 가장 강도가 높아 충격 자극이 일어나고 있음을 시사한다.