[论文解读] Study of the Inner Structure of the Molecular Torus in IRAS 08572+3915 NW with Velocity Decomposition of CO Rovibrational Absorption Lines

Shusuke Onishi, Takao Nakagawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 128被引用 10

一句话总结

本研究利用昴望远镜在约4.67 µm波段对ULIRG IRAS 08572+3915 NW进行高分辨率（R ~10,000）近红外CO转振动能级吸收谱线的观测，通过速度分解揭示出三个显著成分：两个速度约为−160 km s⁻¹的外流成分（宽线和窄线）以及一个速度约为+100 km s⁻¹的内流成分。速度弥散度比（1:5:17）表明存在一个具有内区外流和外区内流的旋转环状结构，且推断出陡峭的动能温度梯度（Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ），该结构需借助具有至少两个数量级密度涨落的磁流体动力学模型才能解释。

ABSTRACT

Understanding the inner structure of the clumpy molecular torus surrounding the active galactic nucleus is essential in revealing the forming mechanism. However, spatially resolving the torus is difficult because of its size of a few parsecs. Thus, to probe the clump conditions in the torus, we performed the velocity decomposition of the CO rovibrational absorption lines ($\Delta{v}=0 o 1,\ \Delta{J}=\pm 1$) at $\lambda\sim 4.67\,\mathrm{\mu{m}}$ observed toward an ultraluminous infrared galaxy IRAS 08572+3915 NW with the high-resolution spectroscopy ($R\sim 10{,}000$) of Subaru Telescope. Consequently, we found that each transition had two outflowing components, i.e., (a) and (b), both at approximately $\sim -160\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, but with broad and narrow widths, and an inflowing component, i.e., (c), at approximately $\sim +100\,\mathrm{km\,s^{-1}}$, which were attributed to the torus. The ratios of the velocity dispersions of each component lead to those of the rotating radii around the black hole of $R_\mathrm{rot,a}:R_\mathrm{rot,b}:R_\mathrm{rot,c}\approx 1:5:17$, indicating the torus where clumps are outflowing in the inner regions and inflowing in the outer regions if a hydrostatic disk with $\sigma_V\propto R_\mathrm{rot}^{-0.5}$ is assumed. Based on the kinetic temperature of components (a) and (b) of $\sim 720\,\mathrm{K}$ and $\sim 25\,\mathrm{K}$ estimated from the level population, the temperature gradient is $T_\mathrm{kin}\propto R_\mathrm{rot}^{-2.1}$. Magnetohydrodynamic models with large density fluctuations of two orders of magnitude or more are necessary to reproduce this gradient.

研究动机与目标

• 为了探测因尺度仅数秒差距而难以空间分辨的AGN IRAS 08572+3915 NW中分子环状结构的内部结构。
• 通过分解CO转振动能级吸收谱线中的速度成分，确定环状结构中各团块的动力学与物理条件。
• 在假设旋转盘模型（σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ）下，从速度弥散度推断内流与外流团块的空间分布。
• 通过能级布居分析估算动能温度与柱密度，以约束环状结构的热力结构。

提出的方法

• 利用昴望远镜在约4.67 µm波段对CO转振动能级跃迁（v=0→1, ΔJ=±1）进行高分辨率近红外光谱观测（R ~10,000）。
• 对CO吸收线进行速度分解，以分离出三个独立成分：两个速度约为−160 km s⁻¹的外流成分和一个速度约为+100 km s⁻¹的内流成分。
• 通过高斯拟合观测光学深度，确定谱线参数，包括FWHM与中心速度。
• 利用玻尔兹曼分布从转动能级的布居分布推导激发温度。
• 结合CO与冰特征的光学深度及积分带强，估算分子柱密度。
• 在假设为静态盘模型且σV ∝ R⁻⁰.⁵ₗₒₜ的条件下，从速度弥散度推断旋转半径（Rrot）。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过CO转振动能级谱线的速度分解，IRAS 08572+3915 NW分子环状结构中各团块的动力学状态（内流/外流）是什么？
• RQ2 在旋转盘模型假设下，不同成分的速度弥散度如何与其中心黑洞的径向距离相关联？
• RQ3 基于CO跃迁能级布居分析，环状结构的动能温度结构如何随半径变化？
• RQ4 现有环状结构磁流体动力学模型能否解释观测到的温度梯度（Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ）？
• RQ5 冰特征（CO与OCN⁻）对吸收的贡献如何？其运动学特征对环状结构的热力与动力学历史有何启示？

主要发现

• CO转振动能级吸收谱线揭示出三个显著的速度成分：两个外流成分位于~−160 km s⁻¹（宽线与窄线），一个内流成分位于~+100 km s⁻¹。
• 成分(a)、(b)与(c)的速度弥散度比（1:5:17）暗示旋转半径Rrot,a : Rrot,b : Rrot,c ≈ 1 : 5 : 17，表明内区团块向外喷流，外区团块向内流动。
• 成分(a)的动能温度约为720 K，(b)约为25 K，由此得出陡峭的温度梯度Tkin ∝ R⁻².¹ₗₒₜ。
• 观测到的温度梯度要求磁流体动力学模型中存在至少两个数量级的密度涨落才能重现。
• CO冰特征最佳拟合为每种特征两个窄高斯成分（FWHM ~0.0033 µm），表明存在低温冰，且具有蓝移与红移成分。
• 非极性CO冰（以CO₂为主与纯CO）的柱密度分别估算为6±1×10¹⁶ cm⁻²与9±1×10¹⁶ cm⁻²，OCN⁻冰为2.2±0.4×10¹⁶ cm⁻²。