[论文解读] Probing highly obscured, self-absorbed galaxy nuclei with vibrationally excited HCN

S. Aalto, S. Martin F. Costagliola+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2015

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本研究证明，振动激发的HCN（HCN-VIB）在J=3–2和4–3跃迁处是探测（U）LIRGs中高度遮蔽、紧凑星系核的有力工具，因为在这些区域，标准的基态HCN和HCO+谱线因自吸收和连续谱吸收而失效。HCN-VIB发射揭示了被遮蔽的活动星系核或极端星暴，其H₂柱密度超过10^24 cm⁻²，中红外表面亮度超过5×10^13 L⊙ kpc⁻²，为重建原始SED并识别强反馈尚未启动前快速演化的核区提供了新方法。

ABSTRACT

We present high resolution (0."4) IRAM PdBI and ALMA mm and submm observations of the (ultra) luminous infrared galaxies ((U)LIRGs) IRAS17208-0014, Arp220, IC860 and Zw049.057 that reveal intense line emission from vibrationally excited ($ν_2$=1) J=3-2 and 4-3 HCN. The emission is emerging from buried, compact (r<17-70 pc) nuclei that have very high implied mid-infrared surface brightness $>$$5 imes 10^{13}$ L$_{\odot}$ kpc$^{-2}$. These nuclei are likely powered by accreting supermassive black holes (SMBHs) and/or hot (>200 K) extreme starbursts. Vibrational, $ν_2$=1, lines of HCN are excited by intense 14 micron mid-infrared emission and are excellent probes of the dynamics, masses, and physical conditions of (U)LIRG nuclei when H$_2$ column densities exceed $10^{24}$ cm$^{-2}$. It is clear that these lines open up a new interesting avenue to gain access to the most obscured AGNs and starbursts. Vibrationally excited HCN acts as a proxy for the absorbed mid-infrared emission from the embedded nuclei, which allows for reconstruction of the intrinsic, hotter dust SED. In contrast, we show strong evidence that the ground vibrational state ($ν$=0), J=3-2 and 4-3 rotational lines of HCN and HCO$^+$ fail to probe the highly enshrouded, compact nuclear regions owing to strong self- and continuum absorption. The HCN and HCO$^+$ line profiles are double-peaked because of the absorption and show evidence of non-circular motions - possibly in the form of in- or outflows. Detections of vibrationally excited HCN in external galaxies are so far limited to ULIRGs and early-type spiral LIRGs, and we discuss possible causes for this. We tentatively suggest that the peak of vibrationally excited HCN emission is connected to a rapid stage of nuclear growth, before the phase of strong feedback.

研究动机与目标

• 识别并表征在（U）LIRGs中因极端消光而使标准示踪剂失效的高度遮蔽、紧凑星系核。
• 研究振动激发的HCN（HCN-VIB）是否可作为H₂柱密度超过10^24 cm⁻²区域中致密气体和核活动的可靠示踪剂。
• 利用HCN-VIB发射作为被吸收中红外发射的代理，重建被遮蔽发光源的原始、更热的尘埃光谱能量分布（SED）。
• 通过分析线轮廓和动力学特征，确定表现出HCN-VIB发射的核区的演化状态。

提出的方法

• 使用IRAM Plateau de Bure干涉仪和ALMA进行高分辨率（0.4"）毫米和亚毫米波段观测。
• 以振动激发的HCN（ν₂ = 1，J=3–2和4–3）发射为目标，作为紧凑核区致密热气体的示踪剂。
• 将基态HCN和HCO+（ν=0）谱线与HCN-VIB进行比较，评估在高度包裹的核区中自吸收和连续谱吸收的影响。
• 利用HCN-VIB发射作为代理，执行光谱能量分布（SED）重建，以恢复被遮蔽源的原始中红外光度。
• 通过线轮廓分析推断核区中非圆形运动（如内流或外流）的存在。
• 检测到额外的分子谱线（如CH2NH、HOC+、HC3N、CH3OH、H2S），为化学和物理条件提供额外约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 振动激发的HCN（HCN-VIB）是否能有效追踪标准基态HCN和HCO+谱线因自吸收和连续谱吸收而被抑制的紧凑、高度遮蔽星系核？
• RQ2 在（U）LIRGs中，HCN-VIB强发射的物理起源是什么？它是否指示了吸积的超大质量黑洞或极端星暴？
• RQ3 HCN-VIB发射的存在与核区动力学（如非圆形运动或外流）之间存在何种关联，特别是在深度被遮蔽的核区？
• RQ4 在高度消光系统中，HCN-VIB发射在多大程度上可用于重建被遮蔽发光源的原始、更热的尘埃SED？
• RQ5 为何HCN-VIB发射仅在ULIRGs和早型螺旋LIRGs中被探测到？这对其核活动演化阶段有何启示？

主要发现

• 在四个（U）LIRGs（Arp220、IRAS17208-0014、IC860和Zw049.057）中检测到振动激发的HCN（ν₂ = 1，J=3–2和4–3）发射，所有星系均具有半径小于17–70 pc的紧凑、被遮蔽核区。
• 这些核区表现出极高的中红外表面亮度估计值，超过5×10^13 L⊙ kpc⁻²，表明存在强烈的嵌入式发光源。
• HCN-VIB发射来自H₂柱密度超过10^24 cm⁻²的区域，而在此条件下，基态HCN和HCO+谱线因自吸收和连续谱吸收而被强烈抑制。
• HCN-VIB谱线轮廓并非双峰状，与自吸收的基态谱线不同，表明发射来自紧凑、被遮蔽核区的核心。
• HCN-VIB发射较强的星系表现出非圆形运动的证据，如IC860中出现反转的P-Cygni轮廓，暗示气体内流，并可能与强反馈尚未开始前的快速核生长阶段有关。
• 检测到丰富的分子谱线，包括明亮的CH2NH、HOC+、HC3N、CH3OH和H2S发射，尤其在IC860和Zw049.057中，表明核区存在极端物理条件。