[论文解读] Mid-infrared emission of galactic nuclei: TIMMI2 versus ISO observations and models

R. Siebenmorgen, E. Krügel+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 20, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 58被引用 99

一句话总结

本研究通过比较ISO（大孔径）与TIMMI2（核分辨率）对星系核的中红外（MIR）光谱，区分活动星系核（AGN）与星暴活动。研究发现，星暴中强烈的多环芳烃（PAH）发射在AGN中被抑制或完全消失，这是由于强辐射场中的光致分解作用；辐射转移模型证实，当高能光子通量超过20 eV且大于10³ erg cm⁻² s⁻¹时，PAH会蒸发，因此MIR PAH谱带可作为星暴主导于AGN活动的诊断指标。

ABSTRACT

We investigate the mid-infrared radiation of galaxies that are powered by a starburst or by an AGN. For this end, we compare the spectra obtained at different spatial scales in a sample of infrared bright galaxies. ISO observations which include emission of the nucleus as well as most of the host galaxy are compared with TIMMI2 spectra of the nuclear region. We find that ISO spectra are generally dominated by strong PAH bands. However, this is no longer true when inspecting the mid-infrared emission of the pure nucleus. Here PAH emission is detected in starbursts whereas it is significantly reduced or completely absent in AGNs. A physical explanation of these new observational results is presented by examining the temperature fluctuation of a PAH after interaction with a photon. It turns out that the hardness of the radiation field is a key parameter for quantifying the photo-destruction of small grains. Our theoretical study predicts PAH evaporation in soft X-ray environments. Radiative transfer calculations of clumpy starbursts and AGN corroborate the observational fact that PAH emission is connected to starburst activity whereas PAHs are destroyed near an AGN. The radiative transfer models predict for starbursts a much larger mid-infrared size than for AGN. This is confirmed by our TIMMI2 acquisition images: We find that the mid-infrared emission of Seyferts is dominated by a compact core while most of the starbursts are spatially resolved.

研究动机与目标

• 利用中红外光谱诊断区分红外明亮星系中的活动星系核（AGN）与星暴活动。
• 通过比较大孔径（ISO）与核分辨率（TIMMI2）观测，研究中红外发射的空间分布。
• 检验PAH在核区的存活能力是否可作为星系核中主导能源的诊断指标。
• 模拟高能辐射场中PAH发生光致降解的物理条件。
• 量化中红外发射区域的大小作为源类型函数，将紧凑性与AGN活动关联。

提出的方法

• 对23个星系核获取了ISO（14"–24"分辨率）与TIMMI2（3"和0.5"分辨率）的中红外光谱。
• 将ISO光谱（覆盖整个宿主星系与核区）与TIMMI2光谱（仅核区）进行比较，以分离出核区本征发射。
• 应用辐射转移模型，利用Mie理论模拟尘埃颗粒在结团状、星暴与AGN类环境中的加热过程。
• 引入PAH光致蒸发阈值，计算在光子能量>20 eV且通量>10³ erg cm⁻² s⁻¹的单能辐射场中PAH的存活能力。
• 采用Loar & Draine（1993）提供的碳与硅酸盐颗粒的光学常数，以及先前研究中的PAH参数。
• 模拟光谱能量分布（SEDs）与12和25 μm处的空间强度剖面（横截面），比较星暴与AGN中红外发射的大小与紧凑性。

实验结果

研究问题

• RQ1 中红外核谱中的PAH发射是否能区分星暴主导与AGN主导的星系？
• RQ2 核区环境中导致PAH破坏的物理条件是什么？AGN与星暴中的差异为何？
• RQ3 中红外发射的空间范围如何与中心能源的性质相关联？
• RQ4 软X射线在AGN环境中对PAH光致蒸发的贡献有多大？
• RQ5 核区与扩展光谱中PAH谱带强度之比能否作为主导能源的诊断指标？

主要发现

• TIMMI2成像证实，赛弗特星系核在中红外波段是紧凑的，而星暴则呈现空间扩展，表明星暴中存在更大的发射区域。
• ISO光谱（19个中有18个）显示强的6.2、7.7、8.6和11.3 μm PAH谱带，但在AGN的TIMMI2核光谱中这些谱带缺失或显著减弱。
• 含碳原子数少于100的PAH无法在光子能量>20 eV且通量>10³ erg cm⁻² s⁻¹的辐射场中存活，表明存在光致蒸发的阈值。
• 辐射转移模型显示，星暴星系在与AGN相当的光度下产生更强且更扩展的中红外发射，这是由于PAH广泛存在所致。
• 细结构线[Si IV]（10.5 μm）与[Ne II]（12.8 μm）在ISO光谱中比在TIMMI2光谱中更强，表明其起源于核区之外的延伸星际介质。
• 核光谱中检测到PAH谱带是星暴活动的可靠指标，而其缺失则指向AGN主导，尤其在强辐射场中。