[论文解读] Molecular line emission in NGC1068 imaged with ALMA: II. The chemistry of the dense molecular gas

S. Viti, S. García‐Burillo+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 65被引用 50

一句话总结

本研究利用ALMA和PdBI对NGC 1068的环核盘面中分子谱线的观测，分析致密气体的化学性质。研究发现，必须引入多个气相组分——其密度、温度和化学性质各不相同——才能解释观测到的谱线强度比，其中活动星系核（AGN）区域表现出明显的分子耗竭及盘面内化学性质的差异。

ABSTRACT

We present a detailed analysis of ALMA Bands 7 and 9 data of CO, HCO+, HCN and CS, augmented with Plateau de Bure Interferometer (PdBI) data of the ~ 200 pc circumnuclear disk (CND) and the ~ 1.3 kpc starburst ring (SB ring) of NGC~1068, a nearby (D = 14 Mpc) Seyfert 2 barred galaxy. We aim at determining the physical characteristics of the dense gas present in the CND and whether the different line intensity ratios we find within the CND as well as between the CND and the SB ring are due to excitation effects (gas density and temperature differences) or to a different chemistry. We estimate the column densities of each species in Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). We then compute large one-dimensional non-LTE radiative transfer grids (using RADEX) by using first only the CO transitions, and then all the available molecules in order to constrain the densities, temperatures and column densities within the CND. We finally present a preliminary set of chemical models to determine the origin of the gas. We find that in general the gas in the CND is very dense (> 10^5 cm^-3) and hot (T> 150K), with differences especially in the temperature across the CND. The AGN position has the lowest CO/HCO+, CO/HCN and CO/CS column density ratios. RADEX analyses seem to indicate that there is chemical differentiation across the CND. We also find differences between the chemistry of the SB ring and some regions of the CND; the SB ring is also much colder and less dense than the CND. Chemical modelling does not succeed in reproducing all the molecular ratios with one model per region, suggesting the presence of multi-gas phase components. The LTE, RADEX and chemical analyses all indicate that more than one gas-phase component is necessary to uniquely fit all the available molecular ratios within the CND.

研究动机与目标

• 确定NGC 1068环核盘面（CND）和星暴环中致密分子气体的物理与化学条件。
• 区分观测到的谱线强度比变化是由激发条件差异（密度/温度）还是化学分化所致。
• 评估活动星系核（AGN）和星暴反馈在塑造星系核分子气体化学中的作用。
• 评估局部辐射平衡（LTE）和RADEX模型在重现河外环境中观测到的分子谱线强度比时的局限性。

提出的方法

• 利用ALMA Band 7和Band 9数据，观测NGC 1068环核盘面和星暴环中CO、HCO⁺、HCN和CS的跃迁谱线。
• 应用局部热动平衡（LTE）模型估算分子物种的柱密度。
• 采用大型一维非局部热动平衡辐射转移模型（RADEX）约束气体密度、温度和柱密度。
• 将RADEX结果与时间依赖的气相-尘埃化学模型（UCL_CHEM）结合，探讨不同区域的化学驱动力。
• 将RADEX解与一组化学模型网格进行比较，评估其与观测谱线强度比的一致性。
• 利用PdBI数据补充ALMA在约200 pc的环核盘面和约1.3 kpc的星暴环区域的角分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 1068环核盘面中致密分子气体的物理条件（密度、温度、柱密度）是什么？
• RQ2 环核盘面中观测到的分子谱线强度比变化是由于激发条件差异还是化学分化所致？
• RQ3 环核盘面的化学特性与星暴环相比有何不同？
• RQ4 单一化学模型能否重现环核盘面中所有观测到的分子谱线强度比，还是需要采用多相组分模型？
• RQ5 X射线和宇宙射线电离在活动星系核主导区域中如何影响分子化学的形成？

主要发现

• 环核盘面存在极高密度（n > 10⁵ cm⁻³）和高温（T > 150 K）的气体，活动星系核位置的CO/HCO⁺、CO/HCN和CO/CS柱密度比最低。
• RADEX建模显示环核盘面内温度存在显著差异，活动星系核区域最热，E结最冷。
• 星暴环的温度显著低于环核盘面，密度也较低，其化学特性可能类似于W结，但处于较低激发条件。
• 利用UCL_CHEM的化学建模表明，环核盘面各子区域可能包含三相星际介质：两个高电离的致密气体相，以及一个冲击组分，其中CS和可能的HCN由此产生。
• 单一化学模型无法重现环核盘面所有观测到的谱线强度比，表明必须引入多个气相组分才能解释数据。
• 为完全解析环核盘面的物理与化学复杂性，需要在ALMA分辨率下观测更多分子跃迁，尤其是振动态激发的谱线。