오메가 센타우리(NGC 5139)의 블랙홀

 

 

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거대한 구상성단 켄타우루스자리 오메가성단(오메가 센타우리)의 중심에 2백만 개의 별들이 밝게 빛나고 있다.

이 구상성단은 총 1천만개의 별들을 가지고 있으며 우리 은하를 공전하는 200여개의 구상성단 중 가장 큰 규모와 질량을 가진 구상성단이다.

켄타우루스자리 오메가성단은 지구로부터 1만 7천광년 떨어져 있다.

이번 연구의 지원을 위해 허블우주망원경은  ACS 카메라를 이용하여 켄타우루스자리 오메가성단의 중심을 촬영하였으며 이 성단의 중심부에서 발생하는 별빛의 양도 측정하였다.

 이 사진은 2002년 6월에 촬영되었다.

 

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수백만 개의 별들로 찬란히 빛나고 있는 익히 잘 알려진 성단들은 아마도 그 중심에 신비에 싸인 검은 천체의 인력에 영향을 받고 있는 것으로 생각된다.

 

천문학자들이 우리 은하를 공전하고 있는 가장 거대하고 무거운 구상 성단인 켄타우루스자리 오메가성단의 핵에 중간 크기의 블랙홀이 존재한다는 증거를 발견했다.

이 중간정도의 질량을 지닌 블랙홀은 대략 우리 태양의 4만 배 질량을 가지고 있는 것으로 추측된다.

 

이 블랙홀은 허블우주망원경과 칠레의 체로 파촌(Cerro Pachon)에 위치한 제미니 천문대에 의해 발견되었다.

 

이 성단은 지구로부터 1만 7천 광년 떨어진 곳에 위치하고 있었다.

 

구상 성단이란 일반적으로 백만개의 별들이 서로 인력에 묶여 빽빽히 무리지어 있는 천체를 말한다.

우리 은하에는 200개 이상의 구상 성단이 존재한다.

 

이번 발견의 의미에 대해서 독일 가칭의 막스 플랑크 외계 물리 연구소 소속으로 이번 발견을 이끈 연구팀의 리더인 천문학자 에바 노욜라(Eva Noyola)는 다음과 같이 설명하고 있다.

"이번 발견을 통해 블랙홀의 질량을 매우 거대한 질량의 블랙홀로부터 중간 정도 질량의 블랙홀, 작은 질량의 블랙홀,  별과 같은 정도의 블랙홀로 가지런히 늘어놓을 수 있음을 알 수 있게 되었습니다.
이번 발견은 또한 거대한 블랙홀이 되기 위해서는 그 종자가 될만한, 이번에 우리가 발견한 정도의 질량을 가진 블랙홀이 필요함을 알 수 있었다는 데서  매우 중요한 의미를 갖습니다.
지금까지 거대한 질량의 블랙홀의 원천에 대해서는 알려진 것이 없었습니다.
만약 이번에 발견된 중간 질량 정도의 블랙홀이 성단에 일반적으로 존재하는 블랙홀이라면 거대한 질량의 블랙홀이 형성될 수 있는  수많은 중간 단계의 블랙홀이 존재하고 있다는 것을 알 수 있습니다."

 

천문학자들은 어중간한 질량을 가진 블랙홀의 존재가능성에 대해 그간 수많은 논쟁을 해왔다.
우선 이러한 블랙홀이 존재한다는 확실한 증거가 없었을 뿐만 아니라 어중간한 블랙홀이 형성되는 메카니즘은 일반적으로 받아들여지지 않는 이론이었기 때문이었다.

 

그러나 작은 규모의 블랙홀이라면 거대한 별이 일생을 마치면서 태양 정도 질량의 소규모 블랙홀이 만들어진다는 것에 대한 증거는 아주 많이 존재해왔다.

또한 우리 은하를 포함한 수많은 은하의 중심에는 태양질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 질량을 가진 거대한 블랙홀들이 존재한다는 증거 역시 풍부하게 존재한다.

 

이번 연구에 참가했던 텍사스 대학의 천문학자 칼 게바르트(Karl Gebhardt)는 이번 발견이 있기 전에 확보되었던 중간 질량의 블랙홀은 안드로메다 은하 근처에 존재하는 구상성단인 G1에서 발견된 블랙홀이 유일한 것이었다고 말했다.

 

노욜라와 게바르트는 블랙홀의 증거를 수집하기 위해 허블우주망원경과 제미니 천문대를 사용했다.

 

허블 ACS 카메라의 관측결과는 켄타우루스자리 오메가성단 근처에 별들이 어떻게 무리를 짓고 있는지, 그에 따라 중심 부근에 별빛이 순차적으로 증가되는 현상을 보여주었다.

 

또한 제미니 천문대에서 이 성단 중심에서 소용돌이 치는 별들의 속도를 측정한 결과 중심 근처에 가까울 수록 그 속도가 점점 빨라지고 있음을 발견할 수 있었다.

이러한 측정결과는 중심에 눈에 보이지 않는 모종의 물체가 가까이 있는 별을 끌어당기고 있음을 시사한다.

 

이러한 결과를 표준모델과 비교함으로써 이처럼 별들의 속력이 가속되어 밀집됨으로써 일종의 정체현상이 발생하는 이유는 매우 거대한 질량과 빽빽한 밀도를 지닌 천체의 영향으로 발생하는 것이라고 결론지었다.

이들은 또한 블랙홀의 질량을 측정하기 위해 이 표준모델을 사용했다.

 

하지만 천문학자들은 비록 중간정도 질량의 블랙홀이 이처럼 성단 중심의 별들에 가속을 가하는 가장 그럴듯한 이유이기도 하지만, 두가지의 또다른 원인을 고려할 수도 있다고 말했다.

 

그 첫번째 시나리오는 성단 중심 근처의 별들에서 정체현상이 보이는 이유로 백색왜성이나 중성자 별처럼 에너지를 모두 태워버린 별들이 집중된다는 점을 들고 있으며 또다른 가능성은 켄타우루스자리 오메가성단의 중심에 있는 별들의 공전궤도가 늘어나면서 마치 중심 부근에 가장 가까이 있는 별들이 속도가 증가한 것처럼 보일수도 있다는 것이다.

 

그러나 노욜라는 이에 대해 다음과 같이 평가하고 있다.
"연료를 모두 소진한 별이 중심부근에 뭉쳐있다거나 수많은 별들의 공전궤도가 아주 크게 늘어난다는 의견은  실제 별들에서는 대단히 발생하기 어려운 일입니다.  

오메가 센타우리와 같은 성단의 일반적인 진화양상은 이런 식으로 끝을 맺지는 않을 것입니다.
설령 이런 의견과 같은 일들이 실제로 발생했다고 가정하더라도 이런 현상은 매우 짧은 순간에 일어나는 것에 지나지 않을 것입니다.
우선 다 타버린 별들의 뭉치를 예로 들자면 이들은 중심에서 매우 빠른 속도로 이탈할 것이라고 기대할 수 있으며,  또 다른 예인 공전궤도가 늘어난 천체를 고려한다해도 이들의 궤도는 매우 빠르게 원형으로 복귀할 것임을 알 수 있습니다."

 

많은 천문학자들은 오메가 센타우리의 거대한 크기와 질량 때문에 이 구상성단이 평범한 구상성단은 아니라고 생각하고 있다.

 

실제로 120억년의 역사를 가진 늙은 성단들은 아주 오랜 옛날 수많은 별들을 가졌던 왜소은하에서 별들이 떨어져 나가면서 생성된 것으로 추정되어 왔다.

 

허블의 이전 연구들은 거대한 질량의 블랙홀과 이 블랙홀을 가진 은하들간의 상관관계를 밝혀주고 있다.

 

천문학자들은 오메가 센타우리의 질량을 볼 때, 이 성단이 한때는 우리 태양의 약 천만 배 질량을 가진 왜소은하였던 것으로 생각하고 있다.

 

만약 적은 질량의 은하들이 거대한 은하와 그 은하가 보유한 거대한 블랙홀이 갖는 상관관계와 같은 법칙의 적용을 받는다면 오메가 센타우리의 질량은 이 성단이 보유하고 있는 블랙홀의 그것으로 매칭될 수 있을 것이다.

 

노욜라와 게바르트는 이번 발견을 확정짓기 위해 칠레 파라날의 남유럽 천문대가 보유하고 있는 거대망원경을 사용하여
이 성단의 중심 근처에 있는 별들의 속도를 측정하는 연구를 계속할 것이다.

 

이번 발견은 4월 1일 Astrophysical Journal에 발표되었다.

 

동영상> 허블 사이트에서 발표한 오메가 센타우리 구상성단의 확대 동영상

 

* '허블사이트'의 게시물들은  허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.

   본 내용은 2008년 4월 2일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 : 켄타우루스자리 오메가 성단을 비롯한 각종 성단에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.       
        https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

 

원문>

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ABOUT THIS IMAGE:

The core of the spectacular globular cluster Omega Centauri glitters with the combined light of 2 million stars. The entire cluster contains 10 million stars, and is among the biggest and most massive of some 200 globular clusters orbiting the Milky Way Galaxy. Omega Centauri lies 17,000 light-years from Earth.

Astronomers Eva Noyola, of the Max-Planck Institute of Extraterrestrial Physics in Garching, Germany, and Karl Gebhardt of the University of Texas at Austin, have reported on the possible detection of an intermediate-mass black hole in the core of Omega Centauri.

The result is primarily based on spectroscopic measurements obtained with the Gemini South observatory in Chile which suggest the stars are moving around the central core of the cluster at higher than expected velocities.

Among the possible explanations for these speedy stars — and the one favored by their study — is that an intermediate-mass black hole of approximately 40,000 solar masses resides at the center of Omega Centauri. Its powerful gravitational field speeds up the motions of stars near the core.

Astronomers have speculated for years that some globular clusters may harbor in their centers medium-size, or intermediate-mass, black holes with masses of some tens of thousands of suns. Medium-size black holes are much less massive than the supermassive black holes, which are up to billions of solar masses and reside in the centers of large galaxies.

Hubble images taken with the Advanced Camera for Surveys were used in key areas in support of this study: to help pinpoint the center of the cluster, as well as to measure the amount of starlight at the cluster center.

Using the European Southern Observatory's Very Large Telescope in Paranal, Chile, Noyola and Gebhardt are planning to obtain follow-up observations to help confirm the existence of an intermediate-mass black hole.

The Hubble images were taken in June 2002.

Object Name: NGC 2371

Image Type: Astronomical

Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

 

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A well-known star cluster that glitters with the light of millions of stars may have a mysterious dark object tugging at its core. Astronomers have found evidence for a medium- size black hole at the core of Omega Centauri, one of the largest and most massive globular star clusters orbiting our Milky Way Galaxy.

The intermediate-mass black hole is estimated to be roughly 40,000 times the mass of the Sun. The black hole was discovered with NASA's Hubble Space Telescope and Gemini Observatory on Cerro Pachon in Chile. The ancient cluster is located 17,000 light-years from Earth.

Globular clusters are gravitationally bound swarms of typically up to a million stars. There are more than 200 globular clusters in our Milky Way Galaxy.

"This result shows that there is a continuous range of masses for black holes, from supermassive, to intermediate, to small, stellar types," explained astronomer Eva Noyola of the Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany, and leader of the team that made the discovery. "This finding also is important because the theory of formation for supermassive black holes requires seed black holes that are exactly in the mass range of the one we found. Such seeds have not been identified so far. If these types of intermediate-mass black holes happen to be common in star clusters, then they can provide numerous seeds for the formation of the supermassive black holes."

Astronomers have debated the existence of moderately sized black holes because they have not found strong evidence for them, and there is no widely accepted mechanism for how they could form. They have ample evidence that small black holes of a few solar masses are produced when giant stars die. There is similar evidence that supermassive black holes weighing the equivalent of millions to billions of solar masses sit at the heart of many galaxies, including our Milky Way.

"Before this observation, we had only one example of an intermediate-mass black hole in the globular cluster G1, in the nearby Andromeda Galaxy," said astronomer Karl Gebhardt of the University of Texas at Austin and a member of the team that made the discovery.

Noyola and Gebhardt used Hubble and Gemini to gather evidence for the black hole. Hubble's Advanced Camera for Surveys showed how the stars are bunching up near the center of Omega Centauri, as seen in the gradual increase in starlight near the center.

Measuring the speed of the stars swirling near the cluster's center with the Gemini Observatory, the astronomers found that the stars closer to the core are moving faster than the stars farther away. The measurement implies that some unseen matter at the core is tugging on stars near it.

By comparing these results with standard models, the astronomers determined that the most likely cause of this accelerating stellar traffic jam is the gravitational pull of a massive, dense object, the astronomers explained. They also used models to calculate the black hole's mass.

Although the presence of an intermediate-mass black hole is the most likely reason for the stellar speedway near the cluster's center, the astronomers said they have considered a couple of other possible causes.

In the first scenario, the traffic jam of stars near the center is due to a collection of burned- out stars such as white dwarfs or neutron stars. Another possibility is that stars in the center of Omega Centauri have elongated orbits that would make the stars closest to the center appear to speed up.

"For both alternative scenarios it is very hard to get stars to behave that way, either the burned-out stars really bunched up in the center or many stars with very elongated orbits," Noyola explained. "The normal evolution of a star cluster like Omega Centauri should not end up with stars behaving in those ways. But even if we assume that either scenario did happen somehow, both configurations are expected to be very short lived. A clump of burned-out stars, for example, are expected to move farther away from the center quickly. The stars with elongated orbits are expected to become circular very quickly."

Many astronomers regard Omega Centauri as an unusual globular cluster because of its enormous size and mass. In fact, the 12 billion year old cluster has long been suspected of being the stripped-down core of a dwarf galaxy that had been shredded of most of its stars long ago. A previous Hubble survey of supermassive black holes and their host galaxies showed a correlation between the mass of a black hole and that of its host. Astronomers estimated that the mass of the suspected Omega Centauri dwarf galaxy was roughly 10 million solar masses. If lower-mass galaxies obey the same rule, then the mass of Omega Centauri does match that of its black hole.

Noyola and Gebhardt will use the European Southern Observatory's Very Large Telescope in Paranal, Chile to conduct follow-up observations of the velocity of the stars near the cluster's center to confirm the discovery.

The finding appeared in the April 1 issue of The Astrophysical Journal.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Peter Michaud
Gemini Observatory, Hilo, Hawaii
808-974-2510
pmichaud@gemini.edu

Lars Lindberg Christensen
Hubble/ESA, Garching, Germany
011-49-89-3200-6306
lars@eso.org

Eva Noyola
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching/University of Texas, Austin, Texas
011-49-89-30000-3890
noyola@mpe.mpg.de

Karl Gebhardt
University of Texas, Austin, Texas
512-471-1473
gebhardt@astro.as.utexas.edu