Unraveling the complex structure of AGN driven outflows using IFU observations and biconical outflow models

Abstract

여러 관측 연구들로부터 초거대질량블랙홀의 질량과 모은하의 물리적 성질들이 서로 상관 관계를 가지고 있다는 사실이 밝혀졌고 이로부터 블랙홀과 모은하의 공동진화 가설이 제기되었다. 활동성 은하핵은 우주에서 가장 강력한 에너지 원천 중 하나이기 때문에 활동성 은하핵에 의한 피드백이 관측된 상관관계를 형성하는데에 기여했을 것이라 여겨진다. 그렇기 때문에 활동성 은하핵에 의해 발생하는 대규모 가스 분출류 현상이 활동성 은하핵 피드백의 관점에서 어떠한 역할을 하는지 연구할 필요가 있다. 이 학위논문에서는 관측 자료와 3차원 모델을 활용하여 활동성 은하핵에 의한 가스 분출류의 보다 구체적인 구조와 물리적 성질을 알아내고자 하였다.

첫번째 연구에서는 이 분출류 현상이 얼마나 강력한 것인지 그리고 얼마나 멀리 떨어져 있는 성간 물질들까지 영향을 줄 수 있는지에 대하여 연구하였다. 따라서 분출류의 영향이 미치는 영역의 크기를 측정하고자 하였고 이를 위하여 제미니 망원경에 설치된 다중 분광기의 IFS (GMOS integral field spectroscopy) 모드로 관측되어 공간적으로 분해된 자료를 얻을 수 있었던 23개의 제 2형 활동성은하핵들을 분석하였다. 이 연구에서 선정된 23개의 은하들은 모두 적색편이가 0.2보다 낮으며 산소 광도가 높고 (L [OIII],cor > 10^42 erg/s) 강한 분출류 특성을 (

V [OIII]

> 200 km/s, σ [OIII] > 350 km/s) 보이는 은하들이다. 5007Å의 산소 방출선의 속도 분산이 은하 중심으로부터 멀어질수록 점점 작아진다는 점에서 착안하여 23개 은하들에 대한 분출류의 크기를 이온화된 산소의 운동학적 특징에 기반하여 측정하였다. 측정된 분출류의 크기는 0.6 ∼ 7.45 kpc 범위를 가지며 활동성 은하핵의 광도에 따라 그 값이 각각 달랐다. 이 연구를 통하여 광이온화된 영역 전체의 크기는 운동학적으로 측정된 분출류의 크기보다 더 큰 반면, 플럭스에 따라 가중된 광이온화 지역의 크기는 분출류의 크기보다 상당히 작다는 사실을 발견하였다. 그러므로 광이온화 영역의 크기를 분출류 크기 대신에 사용하게 된 다면 질량 분출 비율이나 에너지 유출 비율을 과대평가 하거나 과소평가 할 수 있으며 큰 오차가 유발 할 수도 있다는 점을 알 수 있었다. 본 연구에서는 분출류 크기와 산소 광도 사이의 상관관계를 발견하였으며, 상관관계의 기울기(0.279 ± 0.035)가 광이온화 영역의 크기와 산소 광도 사이의 상관관계에서 얻어지는 기울기에 비하여 더 낮다는 사실을 알아내었다.

두번째 연구에서는 쌍원뿔 모양의 3차원 분출류 모형을 이용하여 분출류의 본질적인 물리적 성질과 관측 환경이 관측된 분출류의 형태나 운동학에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 하였다. 본 연구에서 사용한 분출류 모형은 쌍원뿔 형태의 분출류와 은하면을 대변하는 얇고 둥근 모양의 먼지 평면이 합쳐진 구조이며 먼지 평면은 분출류에서 발생하는 빛을 일정 부분 흡수하는 역할을 한다. 만들어진 3차원 모형을 하늘면에 투영시켜 플럭스와 플럭스에 따라 가중된 속도 및 속도분산을 계산하였다. 본 연구에서는 이전의 모형 연구보다 사실적인 결과물을 얻기 위해 시상 효과를 적용시켰다. 3차원 모형을 통해 계산된 2차원 모의 분포들로부터 우리는 관측되는 분출류의 형태와 운동 분포가 시상의 의해 왜곡되어 관측되어진다는 사실을 밝혀내었다. 시상 효과에 의하여 분출류는 원래의 쌍원뿔 모양을 잃어버리고 점차 원형에 가까운 모양으로 관측될 수 있다는 것을 알 수 있었고 이는 분출류의 기울기각이 매우 작은 제 2형 활동성은하핵의 경우에도 동일하게 적용된다는 것을 확인하였다. 거리에 따라 분출류의 속도가 감소하는 상황에서도 모의 속도분산의 값이 은하 중심 지역에서는 일정하거나 일시적으로 증가하는 경향을 보여주었는데 이러한 특징은 여러 IFU 자료에서 관측된 "초반 고원"현상과 유사한 것이었다. 본 연구에서는 관측자료에서 발견되는 초반 고원 현상이 분출류의 물리적 특성을 보여주는 것이 아니라 시상 효과와 은하면에 의한 소광효과에 의해 왜곡되어 관측된 특징일 수 있다는 점을 확인하였다.

Empirical scaling relations between the mass of central supermassive black holes and properties of their host galaxies suggest the coevolution of supermassive black holes and host galaxies. Because Active Galactic Nuclei (AGNs) are the most powerful energy source in the universe, energetic feedback driven by AGNs is one of the plausible ways to shape such correlations. To understand the role of AGN-driven gas outflows in AGN feedback, this thesis investigates the detailed structure and physical properties of gas outflows using observations and 3D models.

In the first study, we probe how energetic the outflows are and how far they can extend to impact the interstellar medium. We present the spatially resolved kinematics of ionized gas for 23 Type 2 AGNs at z < 0.2 based on Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) integral field spectroscopy. Our targets are [OIII] luminous galaxies (L [OIII],cor > 10^42 erg/s) and have strong outflow features (

> 200 km/s, σ [OIII] > 350 km/s). We kinematically measure the size of the region under the influence of outflows by tracing the radial decrease of the velocity dispersion of the [O iii] λ5007 emission line. The kinematically measured outflow size ranges from 0.60 to ∼ 7.45 kpc, depending on AGN luminosity. We find that the size of the photoionized region is larger than the kinematically measured outflow size, while the flux-weighted photoionization size is significantly smaller. Thus, using photoionization size as a proxy for outflow size leads to overestimation or underestimation, and introduces large uncertainties of the mass outflow rate and the energy output rate. We report an outflow size-luminosity relation with a slope of 0.279 ± 0.035, which is shallower than the slope of the correlation between the photoionization size and luminosity.

Second, we present 3-dimensional models of bicone-shaped outflows combined with a thin dust plane which absorbs the emission from outflows. Using our model, we investigate the influence of observational conditions (viewing angle and seeing) and intrinsic properties of the outflow on the observed morphology and kinematics of the NLR. We calculate 2D flux, velocity, and velocity dispersion maps by projecting the 3D model onto the plane of the sky and including seeing effect to obtain more realistic results. We find that the simulated flux distribution loses its biconical shape and becomes circular because of the smearing effect, even for Type 2 AGNs. Moreover, our simulated results demonstrate that seeing can distort observed kinematic distributions of outflows as well. Simulated velocity dispersion shows a plateau-like feature or increment at the central region in its radial distribution even though the intrinsic outflow velocity decreases as a function of distance. We find that this feature is similar to the "initial plateau" observed by several IFU data and the cause of the initial plateau is the combination of seeing effect and the extinction from the galactic plane.