가장 작은 은하에서 발견된 초거대질량의 블랙홀

Credit: NASA, ESA, D. Coe, G. Bacon (STScI)

 

그림 1> 이 상상화는 초고밀도 왜소은하 M60-UCD1 의중심부에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀을 묘사한 것이다.
이 블랙홀의 질량은 태양 질량의 2100만배에 달한다.
5천만 광년 거리에 위치하는 M60-UCD1은 직경이 300광년밖에 되지 않는 작은 은하로서 그 직경은 우리 은하의 500분의 1밖에 되지 않는다.
그럼에도 불구하고 이 은하는 1억 4천만개에 달하는 별들을 품고 있다.
블랙홀에서는 빛조차도 빠져나올 수 없기 때문에 그저 검은 그림자처럼 보인다.
블랙홀의 강력한 중력장으로 인해 블랙홀의 사건의 지평선에 해당하는 검은 그림자의 가장자리를 따라 별빛이 구부러치면서 마치 고리처럼 보인다.

허블 우주망원경 및 제미니 북반구 망원경의 데이터를 조합하여 M60-UCD1의 중심부에 블랙홀이 존재한다는 사실을 알아낼 수 있었다.

 

가장 작은 은하에서 발견된 초거대질량의 블랙홀

 

천문학자들이 허블 우주망원경을 이용하여 전혀 예상치 못한 곳에 숨어있는 괴물을 발견해냈다.

초고밀도의 왜소은하인 M60-UCD1 에 대한 관측 결과 그 중심에 초거대질량의 블랙홀이 존재한다는 사실이 밝혀졌는데, 이로서 이 은하는 초거대질량의 블랙홀을 품은, 지금까지 관측된 은하중 가장 작은 은하가 되었다.

이러한 사실은 우리가 지금까지 여러 개의 초거대질량의 블랙홀을 간과했을지도 모른다는 사실을 말해주고 있는 한편, 놀랍도록 고밀도를 가진 이들 은하의 형성에 대한 많은 정보를 우리에게 말해주고 있는 것이다.
이번 연구 결과는 2014년 9월 18일 네이처지에 개재되었다.

 

5천만광년 거리에 위치하는 M60-UCD1 은하의 직경은 300광년으로서 우리 은하의 500분의 1정도밖에 되지 않는다.

그러나 이처럼 작은 크기에도 불구하고 이 은하는 1억 4천만개에 달하는 별을 보유하고 있다.
이것은 M60-UCD1과 같은 초고밀도 왜소은하(ultracompact dwarf galaxy, 이하 UCD)의 특징이기도 하지만 이 은하는 UCD 은하중에서도 가장 높은 밀도를 가지고 있는 은하이다.[1]

 

이처럼 엄청난 숫자의 별들에도 불구하고 UCD 천체들은 항상 예상보다 훨씬더 무거운 양상을 보여왔다.
그리고 지금 천문학자들로 구성된 국제연구팀은 왜 이러한 현상이 발생하는지를 설명할 수 있게 되었는데 M60-UCD1의 경우 그 심장부에 태양질량의 2천만배에 달하는 초거대 질량의 블랙홀[2]이 숨어 있었던 것이다.

 

이번 논문의 공동저자인 칠레 유럽 남반구 천문대의 스테펜 미에스키(Steffen Mieske)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 많은 UCD 천체들의 질량이 과다하게 나온다는 것을 알고 있었습니다.
이 천체들은 대체로 전체 별의 밝기에서 나타나는 값보다 더 큰 무게를 보여주고 있었죠.
우리는 이미 이러한 초과 질량은 초거대질량의 블랙홀 때문일지도 모른다는 사실을 발표한 바 있습니다만 그것은 어디까지나 이론일 뿐이었습니다.
그리고 지금, 우리는 M60-UCD1에 존재하는 별들의 움직임을 연구함으로써 그 중심에 위치한 초거대질량의 블랙홀의 영향을 감지해낼 수 있었던 것이죠.
이번 결과는 매우 흥미로운 결과이며 우리는 얼마나 많은 UCD 천체들이 이처럼 극단적인 질량을 가진 블랙홀을 품고 있는지를 알고 싶어하고 있습니다."

 

M60-UCD1의 중심에 존재하는 초거대질량의 블랙홀이 차지하는 질량은 이 은하 전체 질량의 15퍼센트에 육박하며, 그 무게는 우리 은하 중심에 존재하는 블랙홀의 5배에 맞먹는다.

 

국제 연구팀을 이끌고 있는 미국 유타대학의 애닐 세스(Anil Seth)의 설명은 다음과 같다.
"우리은하가 M60-UCD1에 비해 500배나 더 크고 1000배나 더 무겁다는 사실을 감안해보면 이 결과는 매우 놀라운 결과입니다.
사실 우리 은하중심에 위치하고 있는 블랙홀의 질량이 태양질량의 4백만배에 달하긴 하지만 우리 은하 전체 질량에서 차지하는 비중은 0.01퍼센트가 채 되지 않죠. 이와 비교해보면 M60-UCD1의 블랙홀이 얼마나 놀라운 블랙홀인지를 알 수 있답니다."

 

 

국제연구팀은 M60-UCD1이 품고 있는 초거대질량의 블랙홀을 발견하는데 허블우주망원경과 하와이 마우나 케아에 위치한 제미니 북반구 8미터 가시광선 및 적외선 망원경을 활용하였다.

 

허블 우주망원경의 고해상도 이미지는 이 은하의 지름과 별들의 밀집도에 대한 정보를 제공해주었고, 제미니 망원경은 블랙홀의 인력에 의해 영향을 받는 별들의 움직임을 측정하는데 사용되었다.
이 데이터들을 이용하여 눈에 보이지 않는 블랙홀의 질량을 계산한 것이다.

 

이번 발견은 이전에 블랙홀의 존재를 포착할 수 없었지만 블랙홀을 품고 있을만한 가능성이 있는 천체들에도 적용될 수 있다.
사실 천문학자들은 국부 우주에서 지금까지 알려진 블랙홀보다 2배 이상의 블랙홀이 존재할 것이라고 예상하고 있다.

 

게다가 이번 발견은 UCD 천체들이 어떻게 형성되는지에 대한 이론에도 영향을 미칠 수 있을 것으로 보인다.

 

세스의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 왜소은하들이 독립적으로 형성된 작은 섬우주라기보다는  원래는 거대한 규모의 은하였다가 다른 은하와의 충돌과정에서 외곽부분을 상실하여 남겨진 잔해일 것이라는 점을 말해주고 있습니다.
그렇지 않고서는 이처럼 작은 은하들이 어떻게 그처럼 거대한 블랙홀을 품고 있는지를 설명할 수 없죠."

 

M60-UCD1 에 대한 한 가지 가설은 이 은하가 원래는 100억개에 달하는 별들과 이에 대응되는 초거대질량의 블랙홀을 품은 거대 은하였을 것으로 가정하고 있다.

 

이번 논문의 공동저자인 독일 막스 플랑크 천문연구소의 램코 반덴 보쉬(Remco van den Bosch)의 설명은 다음과 같다.

"이 은하는 훨씬 거대한 규모를 지닌 이웃은하 M60과 매우 가까운 위치를 통과했을 것으로 생각됩니다.
이 와중에 은하 외곽의 상당부분이 뜯겨져 나가 M60의 일부가 된 것이죠.
그 결과 오늘날 우리 눈에 보이는 작은 은하가 남겨진 것이라 생각됩니다."
 

연구팀은 M60-UDC1이 언젠가는 M60에 병합되어 하나의 은하가 될 것이라고 생각하고 있다.

M60 역시 우리 은하 블랙홀보다 1천배나 무거운, 태양 질량의 45억배에 달하는 엄청난 블랙홀을 가지고 있다.
은하간의 충돌은 또한 블랙홀의 합병 역시 동반하게 되는데 그 결과 훨씬더 무거운 블랙홀이 만들어지게 될 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA and A. Seth (University of Utah, USA)

 

사진 1> 이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 거대타원은하 M60(또는 NGC 4649)의 사진이다.
M60은 1억 2천만광년의 지름을 가지고 있으며 4천억개의 별들을 품고 있다.

네모 상자로 강조되어 있는 은하가 이 거대 타원은하 주위를 공전하고 있는 왜소은하 M60-UDC1이다.
이 왜소은하는 원래는 훨씬 더 큰 규모의 은하였을 것이지만 M60과의 조우과정에서 외곽부가 뜯겨져나간 결과 남겨진 은하일 것으로 보인다.
사진에서는 눈에 보이지 않지만 이 왜소은하의 중심에서 최근 발견된 초거대질량의 블랙홀이 이와 같은 사건의 정황증거가 된다.

이 블랙홀의 질량은 저체 은하 질량의 15퍼센트를 차지하고 있는데, 이는 왜소은하로서는 만들어낼 수 없는 대단히 무거운 블랙홀에 해당한다.

 

 

사진 2>  허블우주망원경이 촬영한 M60-UDC1의 모습 Credit:NASA, ESA and A. Seth (University of Utah, USA)

 

 

Credit: NASA, ESA

 

사진 3> 이 사진은 Arp 116으로 분류된 독특한 한쌍의 은하를 보여주고 있다.
Arp 116은 거대타원은하 M60과 이보다는 훨신 작은 크기의 나선은하 NGC 4647로 구성되어 있다.
천문학자들은 이 두 개 은하가 서로간에 중력영향을 끼치고 있는지를 알아내기 위해 오랫동안 연구를 계속해왔다.
비록 지구에서 바라봤을 때 두 개은하가 겹쳐있는듯 보이지만 은하간의 상호작용에 대한 가장 확정적인 증거라 할 수 있는 새로운 별 생성의 증거는 일체 발견되지 않았다.

그러나 허블의 매우 정밀한 측정 자료에 의하면 최근 두 개 은하간의 중력조석작용이 발생되기 시작한 것으로 보인다.
사진에서 M60의 우측 바로 아래로 초고밀도의 왜소은하 M60-UCD1이 보인다.

 

 

사진 5>  지상의 망원경으로 촬영한 Arp 116과 그 주변 모습 Credit:NASA, ESA, Digitized Sky Survey 2 (Acknowledgement: Davide De Martin)

 

 

각주
[1] 만약 당신이 이 은하 내부에 있는 행성에 살고 있다면 최소한 백만개의 별이 육안으로도 관측되는 화려한 모습에 감탄하게 될 것이다.
이와 비교하자면 지구의 경우 육안으로 볼 수 있는 최대 별은 4천개 정도이다.

 

[2] 블랙홀이란 빛조차도 빠져나가지 못할 정도로 강력한 중력을 행사하는 초고밀도 천체를 말한다.
태양 질량의 최소 백만배 이상의 질량을 가진 초거대 질량의 블랙홀은 모든 은하의 중심마다 존재하고 있을 것으로 생각되고 있다.

 

 
출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2014년 9월 17일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1419/          

참고 : 초고밀도 왜소은하 M60-UCD1 에 대한 내용은 2013년 9월 24일에 이미 다뤄진바 있습니다. 하기 링크를 참고하세요.
          https://big-crunch.tistory.com/12346834 
     
참고 : 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346986 

 

 

원문>

Big surprises can come in small packages

Hubble helps astronomers find smallest known galaxy with supermassive black hole

17 September 2014

Astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope have found a monster lurking in a very unlikely place. New observations of the ultracompact dwarf galaxy M60-UCD1 have revealed a supermassive black hole at its heart, making this tiny galaxy the smallest ever found to host a supermassive black hole. This suggests that there may be many more supermassive black holes that we have missed, and tells us more about the formation of these incredibly dense galaxies. The results will be published in the journal Nature on 18 September 2014.

Lying about 50 million light-years away, M60-UCD1 is a tiny galaxy with a diameter of 300 light-years — just 1/500th of the diameter of the Milky Way. Despite its size it is pretty crowded, containing some 140 million stars. While this is characteristic of an ultracompact dwarf galaxy (UCD) like M60-UCD1, this particular UCD happens to be the densest ever seen [1].

Despite their huge numbers of stars, UCDs always seem to be heavier than they should be. Now, an international team of astronomers has made a new discovery that may explain why — at the heart of M60-UCD1 lurks a supermassive black hole [2] with the mass of 20 million Suns.

"We've known for some time that many UCDs are a bit overweight. They just appear to be too heavy for the luminosity of their stars," says co-author Steffen Mieske of the European Southern Observatory in Chile. "We had already published a study that suggested this additional weight could come from the presence of supermassive black holes, but it was only a theory. Now, by studying the movement of the stars within M60-UCD1, we have detected the effects of such a black hole at its centre. This is a very exciting result and we want to know how many more UCDs may harbour such extremely massive objects."

The supermassive black hole at the centre of M60-UCD1 makes up a huge 15 percent of the galaxy's total mass, and weighs five times that of the black hole at the centre of the Milky Way. "That is pretty amazing, given that the Milky Way is 500 times larger and more than 1000 times heavier than M60-UCD1," explains Anil Seth of the University of Utah, USA, lead author of the international study. "In fact, even though the black hole at the centre of our Milky Way galaxy has the mass of 4 million Suns it is still less than 0.01 percent of the Milky Way's total mass, which makes you realise how significant M60-UCD1's black hole really is."

The team discovered the supermassive black hole by observing M60-UCD1 with both the NASA/ESA Hubble Space Telescope and the Gemini North 8-metre optical and infrared telescope on Hawaii's Mauna Kea, USA. The sharp Hubble images provided information about the galaxy's diameter and stellar density, whilst Gemini was used to measure the movement of stars in the galaxy as they were affected by the black hole's gravitational pull. These data were then used to calculate the mass of the unseen black hole.

The finding implies that there may be a substantial population of previously unnoticed black holes. In fact, the astronomers predict there may be as many as double the known number of black holes in the local Universe.

Additionally, the results could affect theories of how such UCDs form. "This finding suggests that dwarf galaxies may actually be the stripped remnants of larger galaxies that were torn apart during collisions with other galaxies, rather than small islands of stars born in isolation," explains Seth. "We don't know of any other way you could make a black hole so big in an object this small."

One explanation is that M60-UCD1 was once a large galaxy containing 10 billion stars, and a supermassive black hole to match. "This galaxy may have passed too close to the centre of its much larger neighbouring galaxy, Messier 60," explains co author Remco van den Bosch of the Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, Germany. "In that process the outer part of the galaxy would have been torn away to become part of Messier 60, leaving behind only the small and compact galaxy we see today."

The team believes that M60-UDC1 may one day merge with Messier 60 to form a single galaxy. Messier 60 also has its own monster black hole an amazing 4.5 billion times the size of our Sun and more than 1000 times bigger than the black hole in our Milky Way. A merger between the two galaxies would also cause the black holes to merge, creating an even more monstrous black hole.

Notes

[1] In fact, if you lived inside this galaxy the night sky would dazzle with the light of at least a million stars, all visible to the naked eye. on Earth, a comparatively measly 4000 stars are visible.

[2] Black holes are ultracompact objects with a gravitational pull so strong that even light cannot escape. Supermassive black holes — those with the mass of at least 1 million stars like our Sun — are thought to be at the centres of many galaxies.

Notes for editors

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

The international team of astronomers in this study consists of A.C. Seth (University of Utah, USA); R. van den Bosch (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany); S. Mieske (European Southern Observatory, Chile); H. Baumgardt (University of Queensland, Australia); M. den Brok (University of Utah, USA); J. Strader (Michigan State University, USA); N. Neumayer (European Southern Observatory, Germany); I. Chilingarian (Smithsonian Astrophysical Observatory, USA; Moscow State University, Russia); M. Hilker (European Southern Observatory, Germany); R. McDermid (Australian Astronomical Observatory, Australia; Macquarie University, Australia); L. Spitler (Australian Astronomical Observatory, Australia; Macquarie University, Australia); J. Brodie (University of California, USA); M. J. Frank (Heidelberg University, Germany); J. L. Walsh (The University of Texas at Austin, USA).

More information

Image credit: NASA, ESA, D. Coe, G. Bacon (STScI)

Links

• Images of Hubble
• NASA press release
• Science paper in Nature

Contacts

Anil Seth
University of Utah
Salt Lake City, Utah, USA
Tel: +1-801-585-7793
Cell: +1-206-724-3820
Email: aseth@astro.utah.edu

Remco van den Bosch
Max Planck Institute for Astronomy
Heidelberg, Germany
Tel: +1-702-337-9424 (currently travelling in USA)
Email: bosch@mpia.de

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +44 7816291261
Email: gbladon@partner.eso.org