[论文解读] Detection of HCN, HCO+ and HNC in the Mrk231 molecular outflow - Dense molecular gas in the AGN wind

S. Aalto, S. García‐Burillo+6 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Nov 29, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 39被引用 98

一句话总结

本研究首次在超亮红外星系Mrk 231的星系规模活动星系核驱动的星流中实现了HCN、HCO⁺和HNC 1–0发射的高分辨率探测，揭示了径向速度±750 km s⁻¹的展宽线翼，以及在南北方向上空间延伸超过700 pc的发射。相对于CO的HCN发射增强、高线比值以及致密气体诊断参数（n > 10⁴ cm⁻³，X(HCN) > 10⁻⁸）表明气体处于激波压缩、团块状的致密分子状态，而由于星流的延展性，中红外辐射激发的可能性较低。

ABSTRACT

We detect luminous emission from HCN, HCO+ and HNC 1--0 in the QSO ULIRG Mrk~231 with the IRAM Plateau de Bure Interferometer at 1."55 by 1."28 resolution. All three lines show broad line wings - which are particularly prominent for HCN. Velocities are found to be similar (750 km/s) to those found for CO 1-0. This is the first time bright HCN, HCO+ and HNC emission has been detected in a large-scale galactic outflow. We find that both the blue- and red-shifted line wings are spatially extended by at least 0."75 (700 pc) in a north-south direction. The line wings are brighter (relative to the line center intensity) in HCN than in CO 1-0 and line ratios suggest that the molecular outflow consists of dense (n>10E4 cmE-3) and clumpy gas with a high HCN abundance X(HCN)>10E-8. These properties are consistent with the molecular gas being compressed and fragmented by shocks in the outflow. Alternatively, HCN is instead pumped by mid-IR continuum, but we propose that this effect is not strong for the spatially extended outflowing gas. In addition, we find that the rotation of the main disk, in east-west direction, is also evident in the HCN, HCO+ and HNC line emission. An unexpectedly bright HC3N 10-9 line is detected inside the central 400 pc of Mrk231. This HC3N emission may emerge from a shielded, dust-enshrouded region within the inner 40-50 pc where the gas is heated to high temperatures (200 - 300 K) by the AGN.

研究动机与目标

• 研究活动星系核（AGN）驱动的大尺度星流中致密分子气体的物理与化学性质，尤其关注Mrk 231等ULIRG中的情况。
• 通过分析高激发分子谱线，确定观测到的分子星流是由AGN反馈还是星暴活动驱动。
• 评估激波与中红外辐射在激发星流中HCN、HCO⁺和HNC的作用，尤其在Mrk 231高光度与极端条件下。
• 确定中心400 pc内异常明亮的HC₃N 10–9发射的起源，其可能追踪AGN附近受遮蔽、温暖且富含尘埃的区域。
• 利用高分辨率谱线发射与线比诊断参数，约束星流的质量出流速率与气体密度。

提出的方法

• 利用IRAM Plateau de Bure干涉仪对HCN、HCO⁺、HNC 1–0及HC₃N 10–9跃迁进行高分辨率（1.″55 × 1.″28）干涉观测。
• 采用谱线成像技术，绘制发射的空间分布与运动学特征，识别出蓝移与红移线翼，表明存在星流气体。
• 通过线比值（如HCN/HCO⁺、HCN/HNC）与CO 1–0的光度比较，推断气体密度（n > 10⁴ cm⁻³）与分子丰度。
• 应用激发分析并与激波模型及辐射转移模型比较，评估主导激发机制——激波还是中红外泵浦。
• 测量线翼的空间延伸范围（>0.″75，即>700 pc），以评估星流的动力学范围与能量预算。
• 对HC₃N 10–9线进行空间定位与温度约束分析，表明其来自核区40–50 pc内受遮蔽、温暖（200–300 K）的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Mrk 231分子星流中观测到的HCN、HCO⁺和HNC 1–0展宽线翼的物理起源是什么？
• RQ2 星流线翼中增强的HCN发射是由于激波诱导的化学过程，还是AGN的中红外辐射泵浦所致？
• RQ3 星流中分子气体的密度与丰度如何？与平静盘面中的值相比有何差异？
• RQ4 明亮的HC₃N 10–9发射位于何处？其存在对Mrk 231最内区物理条件有何启示？
• RQ5 观测到的线比值与运动学特征如何约束星流的质量出流速率与驱动机制？

主要发现

• 首次在Mrk 231分子星流中探测到HCN、HCO⁺和HNC 1–0发射，展宽线翼延伸至±750 km s⁻¹。
• 线翼在南北方向上空间延伸至少0.″75（700 pc），表明存在大尺度、准直的星流。
• 与CO 1–0相比，HCN 1–0在星流线翼中的发射增强2–5倍，表明致密气体占比高（n > 10⁴ cm⁻³）。
• 星流线翼中HCN/HCO⁺线峰值比达到2.2，显著高于线心处的1.3，支持HCN丰度升高（X(HCN) > 10⁻⁸）。
• HCN/HNC线比从线心处的1.8增至线翼处的2.8，与星流中激波气体里HCN生成增强一致。
• 在中心400 pc内探测到异常明亮的HC₃N 10–9发射，可能源自受遮蔽、富含尘埃的区域，由AGN加热至200–300 K，或代表被遮蔽吸积的最后阶段。