거대 블랙홀로부터 쏟아져나오는 제트의 수수께끼를 탐사하다.

 

Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

사진1> 이 사진은 가까운 거리에 위치한 활동성 은하인 NGC 1433의 중심 부근의 세부 모습을 보여주고 있다.
           배경에 보이는 희미한 파란색은 이 은하 중심부의 먼지 대역을 보여주는 것으로 이 부분은 허블 우주망원경의 관측자료이다.
           중심부근의 천연색 구조물들이 최근 ALMA의 관측으로부터 획득된 것으로 나선형 구조뿐 아니라 바깥쪽으로 몰아쳐나오는 흐름을 처음으로

           촬영한 것이다.

 

거대 블랙홀로부터 쏟아져나오는 제트의 수수께끼를 탐사하다.

 

국제천문연구팀이 ALMA의 힘을 이용하여 은하 중심에 있는 거대 블랙홀에서 쏟아져나오는 제트와 이 제트가 주변에 어떤 영향을 끼치는지를 관측하였다.

연구팀은 이 블랙홀 주변을 감싸고 있는 분자구름의 모습을 지금까지 촬영된 것중 가장 최상의 해상도로 촬영했으며 멀리 떨어진 이 블랙홀 주변의 강력한 제트의 원천에 대해 기대밖의 장면을 잡아낼 수 있었다.

 

우리 은하를 포함하는 우주의 대부분의 은하는 그 중심에 우리 태양의 수십억배에 달하는 질량을 가진 거대한 블랙홀을 가지고 있다.

 

먼 과거에 이 괴상한 천체는 매우 활동적이어서 자신을 둘러싸고 있는 엄청난 양의 물질들을 삼켜버리며 눈부신 섬광을 뿜어냈으며
강력한 제트를 통해 삼켜버린 물질의 파편들을 쏟아냈다.

 

요즘의 우주에서 대부분의 거대 질량을 가진 블랙홀들은 자신의 젊은 시절에 비해 훨씬 잠잠한 상태이지만 제트나 자신을 둘러싼 주변과의 상호작용을 통해

여전히 은하의 진화는 계속되고 있다.

 

 

오늘 아스트로노미 앤 아스트로피직스 저널에는 ALMA를 활용하여 서로 다른 규모로 수행된 블랙홀에 대한 두 개의 새로운 연구가 발표되었다.
하나는 NGC 1433 은하의 상대적으로 잠잠한 블랙홀에 대한 것이고 나머지 하나는 매우 멀리 떨어져 있는 PKS 1830-211이라 불리는 활성천체에 대한 것이다.

 

발표 논문중 하나의 수석저자인 프랑스 파리 천문대의 Francoise Combes의 설명은 다음과 같다.
"ALMA를 통해 NGC 1433중심 부근에 있는 분자가스의 놀라운 나선 구조를 밝혀낼 수 있었습니다.
 이것은 물질들이 어떻게 블랙홀에 연료로서 작용하는지를 설명해 주고 있답니다.
 ALMA의 고해상도 관측자료를 가지고 우리는 블랙홀로부터 쏟아져나와 150광년 길이까지 뻗어있는 물질들의 제트를 발견할 수 있었죠.

 이것은 우리가 지금까지 외계은하에서 관측해온 분자 폭풍들로서는 가장 작은 규모였습니다."
 

중심 블랙홀로부터 쏟아져 나오는 제트에 쓸리고 있는, 이번에 발견된 바깥쪽으로 쏟아져 나오는 일련의 흐름은 어떻게 제트가 새로운 별의 형성을 방해하고 은하 중심 팽대부의 성장을 제한하고 있는지를 보여준다.[1]
 

스웨덴 온살라 천문대와 차머스 공대의 Ivan Marti-Vidal과 그의 연구팀은 PKS 1830-211 내부에서 제트를 수반하고 있는 거대 질량의 블랙홀을 관측하였다.
이 은하는 초기 우주에서 훨씬 밝고 훨씬 활동성을 보이는 천체였다.[2]

 

Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Marti-Vidal

사진 2> 이 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 것으로 멀리 떨어진 활성은하 PKS 1830-211의 모습을 보여주고 있다.
            여기에서 PKS 1830-211은 그닥 눈길을 끌지 않는 일반 별처럼 보이기 때문에 사진에 담긴 수많은 다른 별들에 묻혀 찾아내기가 쉽지 않다.
            최근에 수행된 ALMA 관측은 중력 렌즈 현상에 의해 관측된 이 원거리 은하의 모습을 보여주고 있으며 사진에서 붉은 색으로 표시되어 있다.

 

 

이것은 매우 특이한 현상이다. 왜냐하면 이 밝은 빛은 지구에 도달하기까지 거대 질량의 은하들에 의해 방해를 받았고 중력 렌즈 현상에 의해 그 빛은 두 개로 갈라졌기 때문이다. [3]
때때로 거대질량의 블랙홀은 갑자기 엄청난 양의 질량을 삼키기도 한다.[4]
이때 제트의 힘은 증가하고 복사는 매우 높은 에너지수준까지 밀려올라가게 된다.

그리고 ALMA가 이러한 사건이 PKS 1830-211에서 일어날 때 우연히 잡아낸 것이다.

 

두번째 논문의 공동저자이기도 한 Sebastien Muller의 설명은 다음과 같다.
"ALMA가 관측한 이 경우의 블랙홀은 순전히 우연히 발생한 사건입니다.
 우리는 PKS 1830-211을 다른 목적으로 관측하는 중이었답니다. 우리는 중력렌즈현상을 촬영한 사진들 중에서 색채와 강도의 미묘한 변화를 잡아냈죠.
 이러한 예상치 못한 행동을 주의깊게 관찰하여 정말 운좋게도 제트의 원천이 되는 블랙홀에 새로운 물질들이 유입되면서 섬광이 나타나던 바로 그 순간을

 관측한 것이라는 결론을 내렸죠."
 

연구팀은 또한 이러한 파괴적인 사건이 다른 망원경에 의해 관측되었는지 여부를 찾아보았고, 감마선 영역에서 매우 확실한 신호를 포착했다는 것을 발견하고는 매우 놀라지 않을 수 없었다.
감마선 관측을 수행한 NASA의 페르미 감마선 우주망원경의 관측에 감사를 표시하는 바이다.

 

 

ALMA의 장파장 관측에서 복사량을 증가시킨 원인이 된 이 과정은 제트의 빛을 고에너지 영역까지 드라마틱하게 끌어올린 상황과 대응된다.[5]
 

Sebastien Muller의 부연설명은 다음과 같다.
"제트의 근원이 되는 블랙홀로부터 발생한 감마선과 서브밀리미터 라디오파간의 명확한 연관관계가 이번에 처음으로 수립된 것이랍니다." 
 

이번 두 개의 새로운 관측 결과는 근거리와 원거리에 존재하는 거대 질량의 블랙홀로부터 발생한 제트를 연구하는 ALMA의 작업이 이제 막 시작되었음을 알려주는 것이다.

 

 

Combes 의 연구팀은 ALMA를 활용하여 이미 다른 근거리의 활성은하에 대한 연구를 진행하고 있으며
독특한 천체인 PKS 1830-211은 ALMA나 다른 망원경을 활용하여 훨씬 진전된 연구를 수행하는데 주요연구대상이 될 것으로 기대되고 있다.

 

Ivan Marti-Vidal의 견해는 다음과 같다.
"블랙홀이 어떻게 이와 같은 거대한 고에너지 제트와 복사를 만들어내는지를 알기 위해서는 배워야 할게 여전히 많습니다.
 그러나 ALMA가 완공되기도 전에 관측된 이번 새로운 결과는 이러한 제트를 관측하는데 ALMA가 매우 독보적인 관측기구가 될 거라는 것을 보여주고 있죠.
 발견은 이제 막 시작된 것이랍니다."

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

사진3> 이 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 것으로 활성은하 NGC 1433을 보여주고 있다.

           네모 상자에 보이는 천체에서 중심부 천연색으로 표시된 부분이 ALMA에 의해 촬영된 것으로

           사상 처음으로, 나선구조와 함께 바깥쪽으로 몰아쳐나오는 일련의 흐름을 포착할 수 있었다.          

 

 

Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/F. Combes

사진4> ALMA에 의해 촬영된 이 사진은 NGC 1433 중심에 위치한 거대질량의 블랙홀 주변 분자 가스의 분포를 보여주고 있다.
           ALMA의 관측에 의해 이 구름의 나선 구조를 밝혀냈을 뿐 아니라 중심 블랙홀로부터 휘몰아쳐 나오는 소규모의 흐름도 함께 밝혀낼 수 있었다.

 

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

사진5> 이 광대역 사진은 NGC 1433과 그 주변을 함께 보여주고 있다.
           이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영되어 제작된 것이다.
           왼쪽에 두드러져 보이는 붉은 별은 HD 23719라는 별로서 이 별은 밤하늘에서 육안으로도 볼 수 있을만큼 밝은 별이다.

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

사진6> 이 사진은 활성은하 PKS 1830-211의 주변을 함께 보여주고 있는 광대역 사진이다.
           이 사진은 DSS2의 일환으로 촬영되어 제작된 것이다.
           이 부분은 궁수자리에 자리잡고 있는데 이 지역은 우리 은하의 중심지역으로서 별들이 매우 빽빽하게 들어차 있는 지역이다.
           PKS 1830-211은 사진 중심에 위치하고 있지만 우리 은하에 속하는 다른 많은 별들때문에 그 모습을 찾기가 쉽지 않다.

 

각주

[1]피드백이라 부르는 이러한 과정은 은하 중심에 존재하는 블랙홀의 질량과 블랙홀을 둘러싼 은하팽대부 질량과의 수수께끼의 상관관계를 설명해주는

     것인지도 모른다.
     블랙홀은 가스를 붙잡아두면서 점점 활동적으로 성장하게 되지만 이로부터 만들어진 제트는 주변지역의 가스를 청소해내면서 새로운 별의 생성을

     막고 있는 것이다.

[2]PKS 1830-211의 적색편이는 2.5인데 이는 이 은하로부터 출발한 빛이 우리에게 도달할 때까지 110억년이 걸렸다는 것을 의미한다.
     이 빛은 우리 우주의 나이가 현재 대비 고작 20%밖에 되지 않은 상황에서 발생한 빛인 것이다.

     이에 반해 NGC 1433의 빛은 우주적 규모에서는 매우 짧은 시간인 3천만년만에 지구에 도달하였다.

 

[3]아인슈타인의 일반 상대성이론에 따르면 빛은 은하와 같은 거대 질량의 천체를 통과할 때 굴절하게 된다.
     이러한 효과를 중력렌즈 라 부르는데 1979년 처음으로 발견된 이래 수많은 중력렌즈 현상이 발견되었다. 
     이러한 렌즈 효과는 빛의 원천이 된 천체의 모습을 왜곡시키기도 하고 확장시키는 등 다양한 모습을 만들어내게 된다.

 

[4]블랙홀로 추락한 물질은 별일 수도, 분자구름일수도 있다. 
     이처럼 추락하는 분자구름은 우리 은하의 중심에서도 관측되곤 한다.

 

[5]감마선으로 방출된 에너지는 전자기 복사 영역에서 가장 짧은 파장과 고에너지를 가지고 있다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2013년 10월 16일자
          http://www.eso.org/public/news/eso1344/
        

원문>

사진1>

Composite view of the galaxy NGC 1433 from ALMA and Hubble

This detailed view shows the central parts of the nearby active galaxy NGC 1433. The dim blue background image, showing the central dust lanes of this galaxy, comes from the NASA/ESA Hubble Space Telescope. The coloured structures near the centre are from recent ALMA observations that have revealed a spiral shape, as well as an unexpected outflow, for the first time.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

 

사진2>

The distant active galaxy PKS 1830-211 from Hubble and ALMA

This image from the NASA/ESA Hubble Space Telescope shows the distant active galaxy PKG 1830-211. It shows up as an unremarkable looking star-like object, hard to spot among the many much closer real stars in this picture. Recent ALMA observations show both components of this distant gravitational lens and are marked in red on this composite picture.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Martí-Vidal

 

 

사진3>

The nearby active galaxy NGC 1433 from ALMA and Hubble

The main image, showing the nearby active galaxy NGC 1433, comes from the NASA/ESA Hubble Space Telescope. The coloured structures near the centre shown in the insert are from recent ALMA observations that have revealed a spiral shape, as well as an unexpected outflow, for the first time.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

 

 

사진4>

ALMA view of molecular gas in the centre of NGC1433

This image from ALMA shows the distribution of molecular gas close to the supermassive black hole at the centre of the galaxy NGC 1433. As well as discovering the spiral structure ALMA observations have also revealed an unexpected small outflow of material from the central black hole.

Credit:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/F. Combes 

 

 

사진5>

Wide-field view of the galaxy NGC1433

This wide-field image shows the patch of sky around the galaxy NGC 1433. This view was created from photographs forming part of the Digitized Sky Survey 2. The prominent red star to the left of the galaxy is HD 23719, which is just bright enough to be seen with the naked eye on a dark night.

Credit:

ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

 

사진6>

Wide-field view of the sky around the distant active galaxy PKS 1830-211

This wide-field image shows the patch of sky around the distant active galaxy PKS 1830-211. This view was created from photographs forming part of the Digitized Sky Survey 2. This part of the sky in the constellation of Sagittarius (The Archer) lies close to the central regions of the Milky Way and is very rich in stars. The remote galaxy lies at the centre of the picture, lost among the much closer stars of our own galaxy.

Credit:

ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

ALMA Probes Mysteries of Jets from Giant Black Holes

16 October 2013

Two international teams of astronomers have used the power of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to focus on jets from the huge black holes at the centres of galaxies and observe how they affect their surroundings. They have respectively obtained the best view yet of the molecular gas around a nearby, quiet black hole and caught an unexpected glimpse of the base of a powerful jet close to a distant black hole.

There are supermassive black holes — with masses up to several billion solar masses — at the hearts of almost all galaxies in the Universe, including our own galaxy, the Milky Way. In the remote past, these bizarre objects were very active, swallowing enormous quantities of matter from their surroundings, shining with dazzling brilliance, and expelling tiny fractions of this matter through extremely powerful jets. In the current Universe, most supermassive black holes are much less active than they were in their youth, but the interplay between jets and their surroundings is still shaping galaxy evolution.

Two new studies, both published today in the journal Astronomy & Astrophysics, used ALMA to probe black hole jets at very different scales: a nearby and relatively quiet black hole in the galaxy NGC 1433 and a very distant and active object called PKS 1830-211.

"ALMA has revealed a surprising spiral structure in the molecular gas close to the centre of NGC 1433," says Françoise Combes (Observatoire de Paris, France), who is the lead author of the first paper. "This explains how the material is flowing in to fuel the black hole. With the sharp new observations from ALMA, we have discovered a jet of material flowing away from the black hole, extending for only 150 light-years. This is the smallest such molecular outflow ever observed in an external galaxy."

The discovery of this outflow, which is being dragged along by the jet from the central black hole, shows how such jets can stop star formation and regulate the growth of the central bulges of galaxies [1].

In PKS 1830-211, Ivan Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, onsala Space Observatory, onsala, Sweden) and his team also observed a supermassive black hole with a jet, but a much brighter and more active one in the early Universe [2]. It is unusual because its brilliant light passes a massive intervening galaxy on its way to Earth, and is split into two images by gravitational lensing [3].

From time to time, supermassive black holes suddenly swallow a huge amount of mass [4], which increases the power of the jet and boosts the radiation up to the very highest energies. And now ALMA has, by chance, caught one of these events as it happens in PKS 1830-211.

"The ALMA observation of this case of black hole indigestion has been completely serendipitous. We were observing PKS 1830-211 for another purpose, and then we spotted subtle changes of colour and intensity among the images of the gravitational lens. A very careful look at this unexpected behaviour led us to the conclusion that we were observing, just by a very lucky chance, right at the time when fresh new matter entered into the jet base of the black hole," says Sebastien Muller, a co-author of the second paper.

The team also looked to see whether this violent event had been picked up with other telescopes and were surprised to find a very clear signal in gamma rays, thanks to monitoring observations with NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope. The process that caused the increase of radiation at ALMA’s long wavelengths was also responsible of boosting the light in the jet dramatically, up to the highest energies in the Universe [5].

"This is the first time that such a clear connection between gamma rays and submillimetre radio waves has been established as coming from the real base of a black hole's jet," adds Sebastien Muller.

The two new observations are just the start of ALMA's investigations into the workings of jets from supermassive black holes, near and far. Combes’s team is already studying other nearby active galaxies with ALMA and the unique object PKS 1830-211 is expected to be the focus of much future research with ALMA and other telescopes.

"There is still a lot to be learned about how black holes can create these huge energetic jets of matter and radiation," concludes Ivan Martí-Vidal. “But the new results, obtained even before ALMA was completed, show that it is a uniquely powerful tool for probing these jets — and the discoveries are just beginning!"

Notes

[1] This process, called feedback, may explain the mysterious relationship between the mass of a black hole at the centre of a galaxy and the mass of the surrounding bulge. The black hole accretes gas and grows more active, but then produces jets that clear out gas from the surrounding regions and stop star formation.

[2] PKS 1830-211 has a redshift of 2.5, meaning that its light had to travel for about 11 billion years before reaching us. The light we see was emitted when the Universe was just 20% of its current age. By comparison the light from NGC 1433 takes only about 30 million years to reach the Earth, a very short time in galactic terms.

[3] Einstein’s theory of general relativity predicts that light rays will be deflected as they pass a massive object such as a galaxy. This effect is called gravitational lensing and, since the first find in 1979, numerous such gravitational lenses have been discovered. The lensing can create multiple images as well as distort and magnify the background light sources.

[4] The infalling material could be a star or a molecular cloud. Such an infalling cloud has been observed at the centre of the Milky Way (eso1151, eso1332).

[5] This energy is emitted as gamma rays, the shortest wavelength and highest energy form of electromagnetic radiation.

More information

 

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded in Europe by the European Southern Observatory (ESO), in North America by the U.S. National Science Foundation (NSF) in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and in East Asia by the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), which is managed by Associated Universities, Inc. (AUI) and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

These research projects are presented in two papers, “ALMA observations of feeding and feedback in nearby Seyfert galaxies: an AGN-driven outflow in NGC1433”, by F. Combes et al. and “Probing the jet base of the blazar PKS 1830−211 from the chromatic variability of its lensed images: Serendipitous ALMA observations of a strong gamma-ray flare”, by I. Martí-Vidal et al. Both papers are appeared in the journal Astronomy & Astrophysics.

The first team is composed of F. Combes (Observatoire de Paris, France), S. García-Burillo (Observatorio de Madrid, Spain), V. Casasola (INAF–Istituto di Radioastronomia, Bologna, Italy), L. Hunt (INAF–Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italy), M. Krips (IRAM, Saint Martin d’Hère, France), A. J. Baker (Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, USA), F. Boone (CNRS, IRAP, Toulouse, France), A. Eckart (Universität zu Köln, Germany), I. Marquez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spain), R. Neri (IRAM), E. Schinnerer (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Germany) and L. J. Tacconi (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Germany).

The second team is composed of I. Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, onsala Space Observatory, onsala, Sweden), S. Muller (Onsala), F. Combes (Observatoire de Paris, France), S. Aalto (Onsala), A. Beelen (Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, France), J. Darling (University of Colorado, Boulder, USA), M. Guélin (IRAM, Saint Martin d’Hère, France; Ecole Normale Supérieure/LERMA, Paris, France), C. Henkel (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn, Germany; King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia), C. Horellou (Onsala), J. M. Marcaide (Universitat de València, Spain), S. Martín (ESO, Santiago, Chile), K. M. Menten (MPIfR), Dinh-V-Trung (Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam) and M. Zwaan (ESO, Garching, Germany).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 15 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is the European partner of a revolutionary astronomical telescope ALMA, the largest astronomical project in existence. ESO is currently planning the 39-metre European Extremely Large optical/near-infrared Telescope, the E-ELT, which will become "the world’s biggest eye on the sky".

Links

• Research papers: Combes et al. & Marti-Vidal et al.
• Video showing cosmic indigestion in the remote supermassive black hole PKS 1830-211, as seen by ALMA
• Photos of the ALMA array

Contacts

Françoise Combes
Observatoire de Paris, LERMA
Paris, France
Tel: +33 1 4051 2077
Email: francoise.combes@obspm.fr

Ivan Martí-Vidal
Chalmers University of Technology
Onsala Space Observatory, onsala, Sweden
Tel: +46 31 772 5557
Email: ivan.marti-vidal@chalmers.se

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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