[论文解读] The outflow of gas from the Centaurus A circumnuclear disk: atomic spectral line maps from Herschel-PACS and APEX

F. P. Israël, R. Guêsten+3 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Nov 17, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究利用赫歇尔-PACS 和 APEX 的远红外谱线图，调查了半人马座 A 的核周盘（CND）中气体的物理状态和外流动力学。研究发现存在速度为 60 km s⁻¹ 的气体外流，质量外流速率为 ~2 M⊙ yr⁻¹，比黑洞吸积率高出三个数量级，表明中心引擎存在强烈的反馈作用，很可能是由黑洞周围空腔内的激波驱动。

ABSTRACT

The physical state of the gas in the central 500 pc of NGC~5128 (the radio galaxy Centaurus A - Cen A), was investigated using the far-infrared fine-structure lines of carbon, oxygen, and nitrogen, as well as the CO(4-3) molecular line. The circumnuclear disk (CND) is traced by emission from dust and the neutral gas ([CI] and CO). A gas outflow with a line-of-sight velocity of 60 km/s is evident in both species. The center of the CND is bright in [OI], [OIII], and [CII]; [OI]63mu emission dominates that of [CII] even though it is absorbed with optical depths of 1.0-1.5. The outflow is well-traced by the [NII] and [NIII] lines and also seen in the [CII] and [OIII] lines that peak in the center. Ionized gas densities are moderate in the CND and low everywhere else. Neutral gas densities range from 4000 per cm3 (outflow, extended thin disk ETD) to 20 000 per cm3 (CND). The CND radiation field is weak compared to the ETD starburst field. The outflow has a much stronger radiation field. The total mass of all the CND gas is 9 x 10^(7) M(o) and the mass of the outflowing gas is only 15%-30% of that. The outflow most likely originates from the shock-dominated CND cavity surrounding the central black hole. With a factor of three uncertainty, the mass outflow rate is about 2 M(o)/yr, a thousand times higher than the accretion rate of the black hole. Without replenishment, the CND will be depleted in 15-120 million years. However, the outflow velocity is well below the escape velocity.

研究动机与目标

• 确定 NGC 5128（半人马座 A）中心 500 pc 区域内，特别是核周盘（CND）中气体的物理状态。
• 研究在原子精细结构线和 CO 辐射中检测到的气体外流的起源和动力学。
• 量化 CND 和外流气体的质量、密度、辐射场及电离结构。
• 评估激波和反馈在驱动外流及耗尽 CND 气体储备中的作用。

提出的方法

• 获取关键原子和分子跃迁的高分辨率远红外谱线图，包括：[C II] 158 μm、[C I] 608 μm、[O I] 63 μm、[O III] 88 μm、[N II] 122 μm、[N III] 57 μm，以及 ¹²CO (4-3) 在 1.2 mm 处的谱线。
• 利用空间分辨的谱线发射，通过辐射转移建模和线强度比诊断方法，推导出气体密度、温度和电离分数。
• 通过假设恒定的 CO 与 H₂ 转换因子，利用 [C I] 和 CO 谱线光度估算 CND 中总气体质量为 9.1 × 10⁷ M⊙。
• 通过积分视线速度偏移（60 km s⁻¹）和外流组分的投影质量，计算质量外流速率，其不确定性主要来自视线方向和质量校准。
• 比较 CND（≈4）和外流（≈130）中的辐射场（G₀），以评估能量来源和激发机制。
• 通过高 [O I] 和 [N II] 谱线强度（尽管存在强吸收）以及与 H₂ 激波示踪剂的空间相关性，推断出激波激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 半人马座 A 中心区域的气体外流起源于何处，其运动学结构如何？
• RQ2 核周盘中的物理条件（密度、温度、电离）与外流及延伸薄盘中的条件相比如何？
• RQ3 中性气体和电离气体的质量外流速率是多少？与黑洞吸积率相比如何？
• RQ4 驱动外流的主要能量来源是什么——激波、活动星系核辐射，还是恒星反馈？
• RQ5 外流在多大程度上耗尽了 CND 的气体储备？在无补充的情况下，当前外流能持续多久？

主要发现

• 核周盘（CND）的总气体质量为 9.1 × 10⁷ M⊙，中性气体密度约为 ~20,000 cm⁻³，温度为 45 K。
• CND 以中性气体为主（占 90%），金属丰度为太阳的四分之三，尘气比为 260，表明其尘埃含量很高。
• 在 [C I]、CO、[C II]、[N II] 和 [N III] 谱线中检测到视线速度为 60 km s⁻¹ 的气体外流，其中 [N II] 和 [N III] 的谱线强度在外流组分中最强。
• 质量外流速率估计为 ~2 M⊙ yr⁻¹，不确定性因子约为三倍，且比估算的黑洞吸积率高出三个数量级。
• 外流中的辐射场（G₀ ≈ 130）显著强于 CND（G₀ ≈ 4），表明加热增强，很可能源于激波。
• [O I] 63 μm 谱线在 CND 中心主导冷却过程，尽管光学深度 τ ≈ 1.0–1.5，且在中心空腔区域最强，表明存在激波激发。