빠르게 움직이며 거대질량의 블랙홀을 막아서고 있는 가스의 흐름을 포착하다.

 

Credit: ESA/Hubble and NASA. Acknowledgement: Davide de Martin.

 

사진1> 이것은 NGC 5548로 알려져 있는 은하이다.
사진에는 보이지 않지만 이 은하의 심장부에 자리잡은 초거대 질량을 가진 블랙홀의 행동양상이 예측을 벗어나는 이상한 행동을 보이고 있다.
과학자들은 이로부터 빠른 속도로 흘러나오는 일련의 가스뭉치 흐름을 발견했는데 이 가스들은 블랙홀로부터 복사되어 나오는 X선의 90%를 막아서고 있었다.
이러한 양상은 초거대질량의 블랙홀이 자신의 은하와 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 통찰을 제공해 줄 수 있을 것으로 보인다.

 

빠르게 움직이며 거대질량의 블랙홀을 막아서고 있는 가스의 흐름을 포착하다.

 

천문학자들이 NGC 5548 은하의 중심부에 자리잡은 거대질량의 블랙홀 주변에서 이상하고 예상치 못한 움직임을 발견했다.
국제 연구팀이 블랙홀로부터 방출되는 X선의 90퍼센트를 막아서며 바깥으로 빠르게 흘려나오는 일련의 가스덩어리의 흐름을 발견한 것이다.
이러한 움직임은 초거대 질량의 블랙홀이 어떻게 자신의 은하와 상호작용하는지를 알 수 있는 통찰을 제공해 줄 수 있을 것으로 보인다.

 

NGC 5548에서 감지된 특이한 움직임은 허블우주망원경을 포함한 ESA와 NASA의 강력한 관측 프로그램의 결과로 발견된 것이다[1].

2013년과 2014년, 국제 연구팀은 활성은하[2]에 대해 지금까지 수행된 연구 중 가장 광범위한 모니터링을 수행했다.
블랙홀 주변에서 가스의 흐름을 보여주고 있는 은하들은 여러 개가 존재하지만 그 흐름이 시선을 가로막는 움직임을 보이는 것은 이번이 처음이다.

 

 

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

 

그림1> 이 상상화는 활성은하 NGC 5548의 중심부에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀로부터 빠른 속도로 흘러나오고 있는 가스뭉치의 흐름을 표현하고 있다.
이 가스 필라멘트들은 은하 중심에 있는 초거대질량의 블랙홀로부터 복사되어 나오는 X선의 90%를 막아서고 있다.
이러한 양상은 초거대질량의 블랙홀이 자신의 은하와 어떻게 상호작용하는지에 대한 새로운 통찰을 제공해 줄 것으로 보인다.
그림의 화살표는 허블우주망원경의 시선상에서 포착된 가스흐름의 모습을 지목하고 있다.
 

천문학자들은 강력한 가스의 흐름 또는 가스 폭풍을 매우 빠른 속도까지 상승시키는데 필요한, 오랜기간동안 예측으로만 존재해왔던 차폐 프로세스가 직접적인 증거로 감지되기는 이번이 처음이라고 말했다.

 

이번 연구를 이끈 SRON 네덜란드 우주 연구소의 옐레 카스트라( Jelle Kaastra)의 설명은 다음과 같다[3].
"이번 결과는 초거대 질량의 블랙홀이 자신의 은하와 어떻게 상호작용하는지를 알 수 있게 된 시금석이라 할 수 있습니다.
우리는 정말 운이 좋았죠. 이번에 발견된 장면은 일반적으로는 전혀 볼 수 있는 장면이 아니랍니다.
이번 현상은 강력한 이온 폭풍이 활성은하의 핵에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀에 의해 엄청난 양의 물질들을 분출시키고 있다는 것을 말해주고 있습니다.
NGC 5548보다 큰 규모를 가진 퀘이사들에서 발생하는 폭풍의 경우는 블랙홀과 은하의 성장을 모두 통제할 수 있는 것입니다."

 

물질이 블랙홀로 나선형으로 빨려들어가면서 만들어지는 평평한 원반은 강착 원반으로 알려져 있다.
이 원반은 엄청난 온도로 가열되면서 블랙홀 근처에서 X선을 방출하며 이보다는 약간 낮은 에너지의 자외선 복사는 좀더 멀리 떨어진 부분에서 복사된다.

 

자외선 복사는 블랙홀로 추락할 운명에 처한 가스들을 블랙홀 멀리로 날려보낼 수 있을만큼 강력한 폭풍을 만들어낼 수 있다.
그러나 이 폭풍은 그 시작점이 X선으로부터 보호받고 있을때만 존재할 수 있다.

 

이전 관측들은 블랙홀로부터 빠져나온 가열된 가스들이 존재하는 지역에서 X선과 자외선 복사의 효과를 관측해왔지만, 이번 관측은 강착원반과 이들이 시작된 원래지점의 가스구름 사이에서 그 흐름이 존재한다는 것을 보여주고 있는 것이다.

 

지난 50여년 동안 전형적인 세이퍼트 은하로서 제대로 연구되어 온 은하 중 하나인 NGC 5548에서 이번에 발견된 가스의 흐름은 대부분의 X선 복사를 흡수하고 있었고 X선으로부터 보호되면서 자외선 복사만을 남기고 있었다.

동일한 흐름이 강착원반에 보다 가까이 있는 가스도 보호해준다.

이러한 이유들이 강력한 폭풍을 가능하게 했고, 가스들이 보호받고 있는 상황은 최소 3년 이상 지속된 것으로 보인다.

 

허블 우주망원경이 NGC 5548을 관측했던 2013년 6월 22일 바로 뒤에 연구팀은 데이터상에서 예상치 못한 구조를 발견해냈다.

이번 연구팀의 일원인 우주망원경과학 연구소의 제라드 크리스(Gerard Kriss)의 설명은 다음과 같다.
"이곳에서는 2011년 허블우주망원경을 통한 관측 이후에 드라마틱한 변화가 있었습니다.
이곳에서 우리는 이전보다 훨씬 더 차가와진 가스의 신호를 볼 수 있었는데, 이는 은하핵으로부터 발생하는 이온화 X선 복사의 급격한 감소 때문에 폭풍 역시 식어가고 있다는 점을 말해주고 있는 것이었습니다."

 

6개의 관측 기구로부터 수집한 데이터를 조합하여 분석함으로서, 연구팀은 수수께끼의 조각들을 맞춰나갈 수 있었다.

 

이미 20여년전부터 알려져 있었던 NGC 5548의 지속적인 폭풍은 그 속도가 시간당 350만 킬로미터를 초과하는 속도에 다다랐다.

그러나 이곳에서 이미 지속적으로 존재했던 폭풍보다 훨씬 더 빠르고 훨씬더 강력한 새로운 폭풍이 발생한 것이다.

 

카스트라의 설명은 다음과 같다.
"새로 발견된 이 폭풍의 속도는 시속 1800만 킬로미터에 달했고, 이전에 존재했던 폭풍보다 은하핵에 훨씬 가까이 위치하고 있었습니다.
이 새로운 가스 흐름은 블랙홀 가까이서 복사되어 나오는 저 에너지 X선 복사의 90%이상을 차단하고 있었습니다.
그리고 블랙홀로부터 수광일 정도 떨어진 자외선 복사 방출지역의 3분의 1 정도를 가리고 있었습니다."

 

이온화 가스에 의해 강력한 X선이 흡수되는 양상은 몇몇 다른 천체들에서도 관측된 바 있으며 이는 어떤 물체가 가스 구름을 통과하는 원인으로 지목되어왔다.
그러나 연구팀의 일원인 마시모 카피(Massimo Cappi)는 자신들의 경우 XMM-Newton과 허블우주망원경의 관측 데이터에 의존하여 고맙게도 은하 핵에 매우 가까이 존재하는 가스들이 빠르게 쏟아져나오는 흐름을 포착할 수 있었다고 말했다.

 

연구팀의 일원인 피에르-올리비에르 베트루치(Pierre-Olivier Petrucci)는 이 흐름이 강착원반으로부터 흘러나오는 것일 수 있다고 덧붙였다.

 

이번 연구 결과는 6월 19일 사이언스 익스프레스 온라인 판에 개재되었다.

 

각주

[1] 이번 관측에는 ESA의 X선 다중 거울 미션(X-ray Multi-Mirror Mission, XMM-Newton)과 국제 감마선 천체물리 연구소(International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, INTEGRAL),  ESA와 NASA가 공동으로 운용하고 있는 허블우주망원경과 NASA의 스위프트 위성, 핵분광망원경 배열(Nuclear Spectroscopic Telescope Array, NuSTAR) 그리고 찬드라 X선 망원경이 함께 참여했다.
   
[2] 활성은하란 활동적인 은하핵(active galactic nucleus, 이하 AGN)을 보유한 은하를 말한다.
AGN은 은하의 중심에 매우 빽빽한 밀도를 유지하는 은하이며 일반적인 은하보다 훨씬 높은 광도를 보인다. 
때때로 전자기 스펙트럼 전역에서 감지되는 높은 수준의 복사는 은하중심의 초거대 질량 블랙홀이 주변의 물질들을 끌어당기면서 만들어내는 결과로 생각되고 있다.

[3] 블랙홀과 블랙홀이 머물고 있는 은하간의 상호관계는 은하가 진화하는데 있어 그 근본이 될만큼 중요한 것으로 여겨지고 있다.

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 6월 19일 발표 뉴스
          http://www.spacetelescope.org/news/heic1413/

 

참고 : 활성은하 NGC 5548을 비롯한 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 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

참고 : 다양한 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

원문>

Swiftly moving gas streamer eclipses supermassive black hole

19 June 2014

Astronomers have discovered strange and unexpected behaviour around the supermassive black hole at the heart of the galaxy NGC 5548. The international team of researchers detected a clumpy gas stream flowing quickly outwards and blocking 90 percent of the X-rays emitted by the black hole. This activity could provide insights into how supermassive black holes interact with their host galaxies.

The discovery of the unusual behaviour in NGC 5548 is the result of an intensive observing campaign using major ESA and NASA space observatories, including the NASA/ESA Hubble Space Telescope [1]. In 2013 and 2014 the international team carried out the most extensive monitoring campaign of an active galaxy [2] ever conducted.

There are other galaxies that show gas streams near a black hole, but this is the first time that a stream like this has been seen to move into the line of sight.

The researchers say that this is the first direct evidence for the long-predicted shielding process that is needed to accelerate powerful gas streams, or winds, to high speeds. “This is a milestone in understanding how supermassive black holes interact with their host galaxies,” says Jelle Kaastra of the SRON Netherlands Institute for Space Research, who led the research team [3]. “We were very lucky. You don’t normally see this kind of event with objects like this. It tells us more about the powerful ionised winds that allow supermassive black holes in the nuclei of active galaxies to expel large amounts of matter. In larger quasars than NGC 5548, these winds can regulate the growth of both the black hole and its host galaxy.”

As matter spirals down into a black hole it forms a flat disc, known as an accretion disc. The disc is heated so much that it emits X-rays, near to the black hole, and less energetic ultraviolet radiation further out. The ultraviolet radiation can create winds strong enough to blow gas away from the black hole, which otherwise would have fallen into it. But, the winds only come into existence if their starting point is shielded from X-rays.

Earlier observations had seen the effects of both X-rays and ultraviolet radiation on a region of warm gas for away from the black hole, but these most recent observations have shown the presence of a new gas stream between the disc and the original cloud. The newly discovered gas stream in the archetypal Seyfert galaxy NGC 5548 — one of the best-studied sources of this type over the past half-century — absorbs most of the X-ray radiation before it reaches the original cloud, shielding it from X-rays and leaving only the ultraviolet radiation. The same stream shields gas closer to the accretion disc. This makes the strong winds possible, and it appears that the shielding has been going on for at least three years.

Directly after Hubble had observed NGC 5548 on 22 June 2013, the team discovered unexpected features in the data. “There were dramatic changes since the last observation with Hubble in 2011. We saw signatures of much colder gas than was present before, indicating that the wind had cooled down, due to a strong decrease in the ionising X-ray radiation from the nucleus,” said team member Gerard Kriss of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA.

After combining and analysing data from the six observatories involved, the team was able to put the pieces of the puzzle together. NGC 5548’s persistent wind, which has been known about for two decades, reaches velocities exceeding 3.5 million kilometres per hour. But, a new wind has arisen which is much stronger and faster than the persistent wind.

“The new wind reaches speeds of up to 18 million kilometres per hour, but is much closer to the nucleus than the persistent wind,” says Kaastra. “The new gas outflow blocks 90 percent of the low-energy X-rays that come from very close to the black hole, and it obscures up to a third of the region that emits the ultraviolet radiation at a distance of a few light-days from the black hole.”

Strong X-ray absorption by ionised gas has been seen in several other sources, and it has been attributed for instance to passing clouds. “However, in our case, thanks to the combined XMM-Newton and Hubble data, we know this is a fast stream of outflowing gas very close to the nucleus,” said team member Massimo Cappi, of INAF-IASF Bologna. “It may even originate from the accretion disc,” added team member Pierre-Olivier Petrucci, of CNRS, IPAG Grenoble.

These results are being published online in the 19 June issue of Science Express.

Notes

[1] The observatories include ESA’s X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton), the NASA/ESA Hubble Space Telescope, NASA’s Swift, NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), NASA’s Chandra X-ray Observatory, and ESA's International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL).

[2] An active galaxy is a galaxy which hosts an active galactic nucleus (AGN). An AGN is a compact region at the centre of a galaxy that has a much higher than normal luminosity. The high level of radiation, sometimes across the whole of the electromagnetic spectrum, is thought to be a result the supermassive black hole at the centre pulling in mass from the surroundings.

[3] The interactions between black holes and their host galaxies are believed to have a fundamental importance on the way galaxies evolve.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

More information

ESA/Hubble and NASA. Acknowledgement: Davide de Martin.

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Jelle Kaastra
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Utrecht, Netherlands
Tel: +31 88 7775870
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Gerard A. Kriss
Space Telescope Science Institute
Baltimore, USA
Tel: +1 4103384353
Email: gak@stsci.edu

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
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