M87의 블랙홀에서 분출되는 제트의 변화양상

 

 

사진1> 이 일련의 사진은 거대 타원은하 M87의 블랙홀에 의해 에너지를 공급받아 분출되는 제트의 변화양상을 보여주고 있다.
허블우주망원경은 이 천체를 13년에 걸쳐 관측했다.

이 관측 결과는 거의 빛의 속도에 육박하는 속도로 움직이는 플라즈마의 강을 보여주고 있다. 
이 플라즈마는 천문학자들이 나선형처럼 휘어감긴것으로 추정하고 있는 블랙홀의 자기장을 따라 나선형 구조를 보여주고 있다.

이 자기장은 블랙홀 주위를 둘러싸고 회전하는 강착원반으로부터 발생된 것으로 생각되고 있다.

비록 자기장 자체는 눈에 보이지 않지만 그 존재는 블랙홀로부터 발산되는 좁은 원뿔 모양에 속박되어 있는 제트를 통해 유추할 수 있다. 

눈에 보이는 제트의 길이는 5천광년까지 뻗어있다.

M87은 약 2천개의 은하를 품고 있으며 5천만광년 거리에 위치하는 우리의 이웃 은하단인 처녀자리 은하단의 중심에 위치하고 있다.

이 사진은 13년에 걸쳐 제트의 변화양상을 보여주고 있는 동영상의 일부분이다.

동영상은 허블 ACS가 2006년에 촬영한 자료와 WFPC2가 1995년, 1998년, 2001년, 2007년에 촬영한 자료를 근거로 만들어졌다.

 

The full news release story:

 

   허블 우주망원경이 천문학자들로 하여금 거대 타원은하 M87의 중심에 위치한 거대질량의 블랙홀로부터 분출되어 나오는 5천광년 길이의 고온가스 제트의 움직임에 대해 동영상을 만들 수 있도록 해주었다.

이 동영상은 천문학자들로 하여금 은하의 진화에서 어떻게 활성 블랙홀이 형성되는지에 대해 보다 진보된 이해를 가능하도록 하는 확실한 보증이 되었다. 

 

물질이 블랙홀에 완전히 잠겨들면 그 거대한 중력에 의해 탈출은 불가능하게 된다.
블랙홀로 추락하는 대부분의 물질들은 우선 블랙홀의 주위를 휘어감고 있는 강착원반이라고 알려진 지역의 공전에 합류하게 된다.

 

블랙홀을 감싸고 있는 자기장은 엄청난 속도로 분출되어 나오는 제트의 이온화 가스도 함께 실어나르고 있는 것으로 생각된다.

 

이번 허블 연구논문의 수석 저자인 볼티모어 우주망원경과학 연구소의 에일린 T 메이어(Eileen T. Meyer)의 설명은 다음과 같다.
"모든 거대 은하에 있어서 그 중심에 위치하고 있는 거대 질량의 블랙홀은 핵심 구성요소입니다.
이 블랙홀들의 대부분은 활성 단계를 거치는 것으로 생각되고 있으며 블랙홀이 활성단계에 있을 때 블랙홀로부터 에너지를 공급받는 제트는 은하의 진화에 있어서 핵심역할을 수행합니다.  

가시광선 영역에서 관측되는 우리 주변에 존재하는 은하의 제트의 형성 및 진행과정을 세밀하게 분석함으로써 우리는 은하의 형성과 블랙홀의 일반 물리학에 대한 지식을 좀더 향상시키기를 희망할 수 있게 됩니다."
 

이번 허블의 동영상은 사상 처음으로 제트의 플라즈마 흐름이 나선형 운동을 한다는 것을 밝혀주었다.

이러한 움직임은 플라즈마가, 연구팀이 생각하기로는 나선형으로 휘감긴 자기장을 따라 움직인다는 강력한 증거가 된다. 

또한 이 자기장은 블랙홀 주변을 회전하는 강착원반으로부터 발생하는 것으로 생각된다.

 

비록 자기장 자체는 눈에 보이지 않지만 그 존재는 블랙홀로부터 발산되는 좁은 원뿔 모양에 속박되어 있는 제트를 통해 유추할 수 있다. 

 

 

그림1> 거대 질량의 블랙홀 주위를 소용돌이 치고 있는 고온의 프라즈마로 구성된 강착원반이 강력한 자기장을 생성해내고 있다.

강착 원반의 회전은 자기장을 깔때기 모양으로 비틀고 있다.

이 자기장은 블랙홀 주변으로부터 빠른속도로 튀어나오는 플라즈마를 가두고 있다.

그 결과 좁은 폭의 끝이 점점 가늘어지는 제트가 만들어지는 것이다.

 

메이어의 설명이 이어진다.
"우리는 수년동안 상대적으로 가까이에서 관측된 허블의 제트 데이터의 가치를 분석했으며, 이를 통해 수많은 상세정보를 얻을 수 있었습니다.
고작 몇년 동안의 관측자료를 통해 먼거리에 존재하는 제트의 움직임을 볼 수 있는 유일한 이유는 이 제트가 매우 빠른 속도로 움직이기 때문입니다."

 

메이어는 제트를 따라 서로 다른 몇몇 위치에서 나선형 구조를 갖춘것으로 보이는 자기장의 증거를 찾았다.

예를 들어 M87의 외곽 부분에서 발견되는 knot B 라고 불리는 밝은 가스 덩어리는 마치 나선형 경로를 따라 움직이는 것과 같은 지그재그모양을 보여주고 있다.

제트를 따라 존재하는 몇몇 다른 가스 덩어리들도 보이지 않는 구조를 감싼 고리 모양을 보여주고 있다.

 

 

 

 

 

메이어는 과거의 블랙홀에 대한 관측은 방사상 움직임과 고유운동을 구분하는데 한계가 있었으며  그래서 제트의 움직임에 대한 세부 정보를 제공받을 수 없었다고 말했다.

 

M87은 약 2천개의 은하들이 몰려 있는 5천만 광년 거리의 이웃 은하단인 처녀자리 은하단의 중심부에 위치하고 있다.

그리고 이 은하에 있는 블랙홀의 질량은 우리 태양 질량의 수십억배에 달한다.

 

허블의 데이터는 왜 제트가 밝아졌다가 흐려졌다가를 반복하는 가스 거품의 기다란 줄기로 구성되었는지에 대한 정보를 우리에게 제공해주고 있다.

이에 대해 메이어가 던졌던 질문은 다음과 같다.
"제트의 구조는 군데군데가 많이 덩어리져 있습니다. 이것은 대포에서 연속적으로 발사되는 대포알처럼 탄도효과 때문일까요?
 아니면 자기장에 의해 가속된 충격파와 같은 뭔가 특별하고 흥미로운 물리현상이 진행중인걸까요?"

 

메이어의 연구팀은 이 두 시나리오 모두에 해당하는 증거를 찾아냈다.

메이어의 설명이 이어진다.
"우리는 여기서 매우 빠른 속도로 움직이는 부분들도 찾아냈고, 매우 느리게 움직이거나 심지어는 정지상태에 있는 부분들도 찾아냈죠.
이러한 결과는 이 뭉치들이 매우 다양한 근원을 갖고 있다는 것을 우리에게 말해주고 있는 셈입니다."

 

연구팀이 허블 WFPC2와 ACS를 통해 관측한 400개의 관측 자료를 분석하는데 8개월의 시간이 소요되었다.

이 관측 자료들은 1995년부터 2008년까지 취득된 것들이었다.

그러나 몇몇 연구원들은 M87을 20년동안 관측해왔다.

 

오직 허블의 고해상도만이 13년간에 걸친 제트의 움직임을 세부적으로 측정가능하도록 해준다.

 

메이어의 연구팀은 또한 20광년 너비의 뜨거운 프라스마의 구조를 측정하기도 했다.

물론 M87의 제트와 같이 블랙홀로부터 에너지를 공급받는 모든 제트에 대해 말하기는 너무 이른측면이 있다.

이것은 또한 메이어가 다른 제트 3개를 더 연구하는 데 허블우주망원경을 활용할 계획을 세우는 이유이기도 하다.

 

메이어의 평가는 다음과 같다.
"단 하나의 예를 가지고 현상을 말하는 것은 항상 위험이 있습니다. 왜냐하면 그 하나의 예가 매우 이상한 예외의 경우일 수 있기 때문이죠.
 M87의 블랙홀은 더 많은 제트를 찾아보는데 있어 그 정당성을 제공해 주는 것입니다."

 

연구팀의 연구결과는 8월 22일 Astrophysical Journal 온라인판에 개재되었다.

* 출처 : 허블사이트 2013년 8월 22일 발표 뉴스
             http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/32/

 

참고 : M87을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
       - 은하 일반 :  https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 :  https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 :  https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

 

원문>

 

사진1>

Image: Galaxy M87 Jet – Unannotated

ABOUT THIS IMAGE:

This sequence of images, taken over a 13-year span by NASA's Hubble Space Telescope, reveals changes in a black-hole-powered jet of hot gas in the giant elliptical galaxy M87.

The observations show that the river of plasma, traveling at nearly the speed of light, may follow the spiral structure of the black hole's magnetic field, which astronomers think is coiled like a helix. The magnetic field is believed to arise from a spinning accretion disk of material around a black hole. Although the magnetic field cannot be seen, its presence is inferred by the confinement of the jet along a narrow cone emanating from the black hole. The visible portion of the jet extends 5,000 light-years.

M87 resides at the center of the neighboring Virgo cluster of roughly 2,000 galaxies, located 50 million light-years away.

The images are part of a time-lapse movie that reveals changes in the jet over more than a 13-year period. They were taken by Hubble's Advanced Camera for Surveys in 2006 and Wide Field Planetary Camera 2 in 1995, 1998, 2001, and 2007.

Object Name: M87 Jet

Image Type: Astronomical/Illustration/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, E. Meyer, W. Sparks, J. Biretta, J. Anderson, S.T. Sohn, and R. van der Marel (STScI), C. Norman (Johns Hopkins University), and M. Nakamura (Academia Sinica)

 

 

Hubble Takes Movies of Space Slinky

 

The full news release story:

More than thirteen years of observations from NASA's Hubble Space Telescope have allowed astronomers to assemble time-lapse movies of a 5,000-light-year-long jet of superheated gas being ejected from a supermassive black hole in the center of the giant elliptical galaxy M87.

The movies promise to give astronomers a better understanding of how active black holes shape galaxy evolution. While matter drawn completely into a black hole cannot escape its enormous gravitational pull, most infalling material drawn toward it first joins an orbiting region known as an accretion disk encircling the black hole. Magnetic fields surrounding the black hole are thought to entrain some of this ionized gas, ejecting it as very high-velocity jets.

"Central supermassive black holes are a key component in all big galaxies," said Eileen T. Meyer of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Md., the Hubble study's lead author. "Most of these black holes are believed to have gone through an active phase, and black-hole-powered jets from this active phase play a key role in the evolution of galaxies. By studying the details of this process in the nearest galaxy with an optical jet, we can hope to learn more about galaxy formation and black hole physics in general."

The Hubble movies reveal for the first time that the jet's river of plasma travels in a spiral motion. This motion is considered strong evidence that the plasma may be traveling along a magnetic field, which the team thinks is coiled like a helix. The magnetic field is believed to arise from a spinning accretion disk of material around a black hole. Although the magnetic field cannot be seen, its presence is inferred by the confinement of the jet along a narrow cone emanating from the black hole.

"We analyzed several years' worth of Hubble data of a relatively nearby jet, which allowed us to see lots of details," Meyer said. "The only reason you see the distant jet in motion at all over just a few years is because it is traveling very fast."

Meyer found evidence for the magnetic field's suspected helical structure in several locations along the jet. In the outer part of the M87 jet, for example, one bright gas clump, called knot B, appears to zigzag, as if it were moving along a spiral path. Several other gas clumps along the jet also appear to loop around an invisible structure. "Past observations of black hole jets couldn't distinguish between radial motion and side-to-side motion, so they didn't provide us with detailed information of the jet's behavior," Meyer explained.

M87 resides at the center of the neighboring Virgo cluster of roughly 2,000 galaxies, located 50 million light-years away. The galaxy's monster black hole is several billion times more massive than our Sun.

In addition, the Hubble data provided information on why the jet is composed of a long string of gas blobs, which appear to brighten and dim over time.

"The jet structure is very clumpy. Is this a ballistic effect, like cannonballs fired sequentially from a cannon?" Meyer asked. "Or, is there some particularly interesting physics going on, such as a shock that is magnetically driven?"

Meyer's team found evidence for both scenarios. "We found things that move quickly," Meyer said. "We found things that move slowly. And, we found things that are stationary. This study shows us that the clumps are very dynamic sources."

The research team spent eight months analyzing 400 observations from Hubble's Wide Field Planetary Camera 2 and Advanced Camera for Surveys. The observations were taken from 1995 to 2008. Several team members, however, have been observing M87 for 20 years. only Hubble's sharp vision allowed the research team to measure the jet's slight motion in the sky over 13 years. Meyer's team also measured features in the hot plasma as small as 20 light-years wide.

It's too soon to tell whether all black-hole-powered jets behave like the one in M87. That's why Meyer plans to use Hubble to study three more jets. "It's always dangerous to have exactly one example because it could be a strange outlier," Meyer said. "The M87 black hole is justification for looking at more jets."

The team's results will appear Aug. 22 in the online issue of The Astrophysical Journal Letters.

In addition to Eileen Meyer, other members of the science team are William Sparks, John Biretta, Jay Anderson, Sangmo Tony Sohn, and Roeland van der Marel of STScI; Colin Norman of Johns Hopkins University, Baltimore, Md.; and Masanori Nakamura of Academia Sinica, Taipei, Taiwan.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Eileen Meyer
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-516-5008
meyer@stsci.edu

 

그림1>

Image: Magnetic Funnel Around a Supermassive Black Hole

ABOUT THIS IMAGE:

The accretion disk of hot plasma swirling around a supermassive black hole generates powerful magnetic fields. The disk's rotation twists the field into a funnel shape. These field lines constrict and direct the outflow of high-speed plasma from the black hole's vicinity. The result is a narrow, tapered, extragalactic jet.

Image Type: Illustration

 

Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

 

 

hs-2013-32-a-pdf.pdf

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