수십억 광년에 걸쳐 펼쳐져 있는 퀘이사의 대규모 정렬 양상

 

Credit: ESO/M. Kornmesser

 

그림 1> 이 상상화는 퀘이사의 자전축과 대규모 구조(the large-scale structures)간에 나타나는 수수께끼의 정렬양상을 개략적으로 표현하고 있다.

이러한 정렬양상은 수십억년에 걸쳐 나타나고 있으며 이는 우주에서 알려진 구조 중 가장 거대한 구조에 해당한다.
대규모 구조는 파란색으로 표시되어 있으며 하얀색으로 표시된 퀘이사들은 블랙홀의 자전축을 나타내는 하얀색 선과 함께 표시되어 있다.
이 그림은 개념화를 위해 그려진 그림이며 은하나 퀘이사들의 실제 분포를 묘사하고 있지는 않다.

 

 

수십억 광년에 걸쳐 펼쳐져 있는 퀘이사의 대규모 정렬 양상

 
ESO의 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용한 새로운 관측 결과 우주에서 지금까지 발견된 것중 가장 거대한 구조물의 배열을 발견할 수 있었다.
유럽의 과학자들로 구성된 연구팀이 몇몇 샘플 퀘이사에서 발견한 것은 중심 블랙홀의 자전축이 서로 정렬하고 있는 양상이 수십억 광년의 거리에 걸쳐 나타나고 있다는 것이었다.
연구팀은 또한 이 퀘이사들의 자전축이, 자신들이 위치하고 있는 우주적 거미줄의 광대한 구조내에서 서로 정렬하는 경향이 있다는 것을 발견하였다.

 

퀘이사는 중심에 매우 활동적인 초거대 질량의 블랙홀을 품고 있는 은하에 위치하고 있다.
이들 블랙홀들은 빠르게 회전하는 극도의 초고온 물질 원반에 둘러싸여 있으며 중심축에서 기다란 제트를 분출하는 양상을 자주 보여준다.
퀘이사들은 자신들과 함께 위치하고 있는 은하의 모든 다른 별들보다도 훨씬 밝게 빛난다.

 

벨기에 리즈 대학의 다미엔 허츠메커스(Damien Hutsemekers)가 이끄는 연구팀은 VLT에 장착된 FORS 장비를 이용하여 93개의 퀘이사를 연구하였다.
이들은 우주의 나이가 현재 나이의 3분의 1 정도이던 당시, 10억년 이상에 걸쳐 거대한 그룹을 형성하고 있는 퀘이사들로 알려져 있다.

 

허츠메커스는 자신들이 이 퀘이사들로부터 주목한 첫번째 이상한 점은 이들은 수십억광년 상관으로 서로 떨어져 있는 퀘이사들임에도 불구하고
자전축이 서로 정렬되어 있는 양상을 보이는 것이었다고 설명했다.
연구팀은 여기서 한 걸음 더 나아가 만약 이 자전 축이 서로 연결되어 있다면 이것은 단순히 서로간에 연결되어 있는 것 뿐만 아니라 당시 우주에서 더 거대한 규모의 구조를 형성하고 있을 것이라는 점을 연구하였다.

 

 

천문학자들이 수십억광년의 폭으로 은하들의 분포를 조사했을 때, 은하들은 고르게 분포되어 있지는 않다는 것을 발견하였다.

그리고 이들은 은하가 희박한 거대한 동공부 주위로 필라멘트나 덩어리들로 이루어진 우주적 거미줄을 형성하고 있다.

이러한 인상적이고도 아름다운 물질의 정렬 양상은 '대규모 구조( large-scale structure)'로 알려져 있다.

 

 

 

Credit:Illustris Collaboration

그림 2> 이 대규모 구조에 대한 매우 상세한 시뮬레이션은 일러스트리스 시뮬레이션의 일환으로 제작된 것이다.
            암흑물질의 분포는 파란색으로, 가스의 분포는 오렌지색으로 표시되어 있다.
            이 시뮬레이션은 현재 우주의 상태를 대상으로 이루어진 것이며 중심에는 거대 질량의 은하단을 가정하고 있다.

 

            이 시뮬레이션이 보여주고 있는 폭은 3억 광년이다.
 

 

 

VLT의 탐사 결과는 퀘이사들의 자전 축이, 이들이 발견된 대규모 구조와 평행한 경향을 띄고 있다는 점을 알려주었다.
따라서 퀘이사가 기다란 필라멘트 안에 존재하고 있다면 중심 블랙홀의 회전은 필라멘트 축을 지향하고 있게 될 것이다.
과학자들의 예측치에 의하면 단순히 우연으로 이러한 정렬양상을 띨 가능성은 1%도 되지 않는다.

 

리즈대학 및 독일 아르겔란더 천문연구소의 도미니크 슬루스(Dominique Sluse)의 설명은 다음과 같다.
"퀘이사의 방향과 이들이 속한 구조간의 연관성은 우주의 진화에 대한 수치해석 모델의 중요한 예견사항입니다.
 우리의 데이터는 이러한 효과를 관측적으로 확정한 첫번째 데이터로서 오늘날까지 일반적인 은하들을 관측했던 사례중 가장 대규모에 해당하죠."

 

연구팀이 자전축 또는 퀘이사의 제트를 직접적으로 목격한 것은 아니다.
그 대신 연구원들은 각 퀘이사로부터 발생하는 빛의 양극성을 측정하였고, 이중 19개에서는 유의미한 양극성 신호를 발견했다.
이러한 양극성의 방향은 다른 정보들과 조합되어 강착 원반의 각을 유추하는데 사용될 수 있었고, 이로서 퀘이사의 회전축의 방향을 유추할 수 있었던 것이다.

 

도미니크 슬루스의 결론은 다음과 같다.
"이번 새로운 관측 데이터상에 나타난 정렬 양상은 오늘날 시뮬레이션에서 예견된 것보다 훨씬 더 큰 규모를 가지고 있었으며, 우리가 가지고 있는 우주의

 현재 모델에서 잃어버린 부분이 있다는 것을 알려주는 단서가 될 수도 있습니다."

 

 

                                                    Credit:ESO/M. Kornmesser

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2014년 11월 19일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1438/

 

참고 : 각종 일반 우주뉴스에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979 

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원문>

eso1438 — Science Release

Spooky Alignment of Quasars Across Billions of Light-years

VLT reveals alignments between supermassive black hole axes and large-scale structure

19 November 2014

New observations with ESO’s Very Large Telescope (VLT) in Chile have revealed alignments over the largest structures ever discovered in the Universe. A European research team has found that the rotation axes of the central supermassive black holes in a sample of quasars are parallel to each other over distances of billions of light-years. The team has also found that the rotation axes of these quasars tend to be aligned with the vast structures in the cosmic web in which they reside.

Quasars are galaxies with very active supermassive black holes at their centres. These black holes are surrounded by spinning discs of extremely hot material that is often spewed out in long jets along their axes of rotation. Quasars can shine more brightly than all the stars in the rest of their host galaxies put together.

A team led by Damien Hutsemékers from the University of Liège in Belgium used the FORS instrument on the VLT to study 93 quasars that were known to form huge groupings spread over billions of light-years, seen at a time when the Universe was about one third of its current age.

“The first odd thing we noticed was that some of the quasars’ rotation axes were aligned with each other — despite the fact that these quasars are separated by billions of light-years,” said Hutsemékers.

The team then went further and looked to see if the rotation axes were linked, not just to each other, but also to the structure of the Universe on large scales at that time.

When astronomers look at the distribution of galaxies on scales of billions of light-years they find that they are not evenly distributed. They form a cosmic web of filaments and clumps around huge voids where galaxies are scarce. This intriguing and beautiful arrangement of material is known as large-scale structure.

The new VLT results indicate that the rotation axes of the quasars tend to be parallel to the large-scale structures in which they find themselves. So, if the quasars are in a long filament then the spins of the central black holes will point along the filament. The researchers estimate that the probability that these alignments are simply the result of chance is less than 1%.

“A correlation between the orientation of quasars and the structure they belong to is an important prediction of numerical models of evolution of our Universe. Our data provide the first observational confirmation of this effect, on scales much larger that what had been observed to date for normal galaxies,” adds Dominique Sluse of the Argelander-Institut für Astronomie in Bonn, Germany and University of Liège.

The team could not see the rotation axes or the jets of the quasars directly. Instead they measured the polarisation of the light from each quasar and, for 19 of them, found a significantly polarised signal. The direction of this polarisation, combined with other information, could be used to deduce the angle of the accretion disc and hence the direction of the spin axis of the quasar.

“The alignments in the new data, on scales even bigger than current predictions from simulations, may be a hint that there is a missing ingredient in our current models of the cosmos,” concludes Dominique Sluse.

More information

This research was presented in a paper entitled “Alignment of quasar polarizations with large-scale structures“, by D. Hutsemékers et al., to appear in the journal Astronomy & Astrophysics on 19 November 2014.

The team is composed of D. Hutsemékers (Institut d’Astrophysique et de Géophysique, Université de Liège, Liège, Belgium), L. Braibant (Liège), V. Pelgrims (Liège) and D. Sluse (Argelander-Institut für Astronomie, Bonn, Germany; Liège).

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 paper
• Photos of the VLT

Contacts

Damien Hutsemékers
Institut d’Astrophysique et de Géophysique — Université de Liège
Liège, Belgium
Tel: +32 4 366 9760
Email: hutsemekers@astro.ulg.ac.be

Dominique Sluse
Institut d'Astrophysique et de Géophysique — Université de Liège
Liège, Belgium
Tel: +32 4 366 9797
Email: dsluse@ulg.ac.be

Richard Hook
ESO education and Public Outreach Department
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