NGC 1266 : 초거대 질량의 블랙홀 주위에서 별의 생성을 억제하는 '완벽한 폭풍'

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

그림 1> 이 그림은 NGC 1266의 중심부를 그린 상상화이다.
중심 블랙홀로부터 뿜어져나오는 제트가 주변 분자 가스에 격류를 만들어내고 있는데 이러한 작용이 없었다면 이곳은 새로운 별을 생성해내는 이상적인 장소가 되었을 것이다.

 

Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

 

그림 2> NGC 1266의 중심부를 묘사한 이 상상화에는 중심의 블랙홀과 이로부터 뿜어져나오는 제트, 그리고 가스의 움직임이 표시되어 있다.
거대한 규모로 발생하는 가스의 움직임은 보다 작은 규모에서 격류를 만들어내면서 새로운 별의 생성을 억제하고 있다.

 

초거대 질량의 블랙홀 주위에서 별의 생성을 억제하는 '완벽한 폭풍'

 

초거대질량의 블랙홀에 의해 추동되는 고에너지 제트는 은하에서 별을 생성하는데 필요한 연료를 모두 몰아내면서 이른바 "붉은 색의 죽은"은하를 만들어낸다.
붉은 색의 죽은 은하는 새로운 별들을 만들어내는데 필요한 수소 가스를 거의 가지고 있지 않은 오래된 붉은 별들로 가득찬 은하를 말한다.

 

 

천문학자들이 ALMA를 이용하여 관측해온 블랙홀들은 새로운 별의 생성을 중단시킬만큼 강력한 힘을 가지고 있지는 않았다.
그런데 상대적으로 중간 규모의 블랙홀을 가지고 있는 렌즈상 은하인 NGC 1266의 중심부에 있는 먼지와 가스를 관측함으로써 천문학자들은 은하 내에서 새로운 별의 탄생을 억제하고 있는 "완벽한 폭풍"을 발견해냈다.
이 폭풍이 아니라면 이 곳은 별의 생성에 있어 이상적인 장소였을 것이다.

 

은하 중심의 블랙홀로부터 뿜어져나오는 제트에 의해 추동된 이 강력한 폭풍은 놀라울 정도로 고밀도로 몰려있는 가스덩어리와 충돌하고 있다.
최근 또다른 작은 은하와의 충돌에 의해 만들어진 것으로 보이는 이 고밀도 지역은 은하 중심으로부터 빠져나와 제트에 의해 분출되고 있는 물질의 98퍼센트 차단하고 있다.

 

 

아스트로피지컬 저널에 개재된 논문의 주저자이자 캘리포니아 기술연구소 적외선 처리 및 분석 센터의 천문학자인 캐서린 알라탈로(Katherine Alatalo)의 설명은 다음과 같다.
"고정된 물체에 막을 수 없는 힘이 충돌하는 것과 같이 제트 내의 입자들은 엄청난 저항에 직면했죠.
제트의 물질들이 주변의 고밀도 가스에 충돌하면서 거의 완전히 멈춰버리게 된 상황입니다."
 

이 충돌로 인해 주변 가스에 강력한 폭풍이 발생했고, 이는 별생성에 있어 핵심이 되는 초기 단계를 방해하고 있는 것이다.
알라탈로는 지금까지 관측 중에서 별생성이 가장 강력하게 억제되고 있는 곳을 보는 것이라고 말했다.

 

NGC 1266에 대한 이전의 관측들은 은하중심으로부터 초속 400킬로미터에 육박하는 속도로 쏟아져나오는 거대한 기류를 밝혀낸바 있다.

알라탈로와 그녀의 동료들은 이 기류가 동시에 1만개의 초신성이 폭발했을 때 발생하는 에너지만큼이나 강력한 에너지를 뿜어내고 있는 것으로 예측하였다.

 

그러나 이 제트는 가스들을 찢어놓기에는 충분하지만 은하로부터 탈출하는데 필요한 속도를 획득할만큼 강력하지는 않다.

 

이번 논문의 공동저자인 국립 전파 천무대의 마크 레시(Mark Lacy)는 가스속으로 몰아쳐 들어가는 제트를 다른 관점에서 보자면, 이들은 가스가 안정된 상태를 유지하고 이로부터 붕괴가 촉발되면서 새로운 별들이 만들어지는 상황을 봉쇄하고 있는 것이라고 말했다.

 

ALMA가 관측한 이 지역에서 새로운 별들을 만들어낼 수 있는 가스의 질량은 태양 질량의 4억배에 달하는데 이는 우리 은하에서 발견되는 거대 별 생성지역의 분자구름들이 가지는 질량의 100배에 달하는 질량이다.

 

일반적으로 이 정도로 가스들이 몰려있다면 미리내에서 발견되는 것보다 최소 50배 이상의 빠른 속도로 별들이 탄생하게 된다.

 

이전까지 천문학자들은 새로운 별의 생성을 지속시키거나 중단시킬 수 있는 역할을 수행할만큼 강력한 폭풍은 극단적으로 강력하게 작용하는 퀘이사나 블랙홀을 품고 있는 라디오파 은하들에서만 존재하는 것으로 생각해왔다.

 

레시의 설명은 다음과 같다.
"지금까지의 일반적인 가정은, 별의 생성을 중단시킬만큼 효율적이기 위해서 은하로부터 가스를 완전히 몰아낼 수 있을만큼 강력한 제트가 필요한 것으로 간주하고 있었습니다."

 

이러한 발견을 이루는데 있어서 천문학자들은 은하에서 복사되는 원적외선 지역을 집중적으로 조사했다.
일반적으로 이 빛은 별의 생성과 연관되어 있어서 천문학자들로하여금 새로운 새로운 별이 생성되는 지역을 탐지할 수 있도록 해 주는 파장이다.

 

그런데 NGC 1266의 경우 이 빛은 은하 중심에 대단히 한정된 구역에서만 발생하고 있었다.
알라탈로는 이 지역은 적외선이 발생하기에는 너무나 좁아서 별의 생성이 발생할 수 없는 지역이었다고 말했다.

 

ALMA의 정교한 감지능력과 해상도를 이용하여, 그리고 CARMA와의 협력관측을 통해 천문학자들은 은하 중심부에서 매우 고밀도로 몰려있는 분자 가스의 위치를 추적할 수 있었다.

그리고 이 가스가 원적외선을 발산하는 작은 고밀도의 원천을 둘러싸고 있다는 것을 알아냈다.

 

일반적인 조건이었다면 이처럼 고밀도로 몰려있는 가스들은 빠른 속도로 별들을 만들어냈을 것이다.
그리고 이 가스속에 포함되어 있는 먼지들은 어린 별들에 의해 가열되면서 적외선의 복사 주체로서, 매우 밝게 보였을 것이다.

 

이 은하에서 발견된 적외선원의 작은 크기와 희미한 정도는 NGC 1266이 별을 만들어내는 자신의 연료에 연연하지 않고 있음을 말해주고 있으며,  별생성의 규칙을 무시하고 있는 것으로 보인다.

 

천문학자들은 또한 이 지역에 되먹임 메커니즘이 작용하는 것으로 예상하고 있다.
결국 블랙홀은 점점 조용해질 것이고 폭풍 역시 진정되어 별 생성 작용이 다시 시작될 수 있을 것으로 보인다.
그러나 별의 생성이 다시 시작되면 고밀도의 가스에 보다 더 큰 움직임이 발생하게 되고, 블랙홀에 물질들이 추락하여 제트가 다시 몰아치기 시작하면서 별 생성 역시 다시 수그러들 것이다.

 

NGC 1266은 에리다누스강자리 방향으로 1억 광년 거리에 위치하고 있다.
렌즈상 은하는 미리내와 같은 나선은하이지만 새로운 별들을 생성할만한 성간 가스는 얼마 가지고 있지 않은 은하이다.

 

 

Credit: NASA/ESA Hubble; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)

 

사진 1> 이 사진은 NGC 1266을 촬영한 허블 우주망원경의 데이터와 ALMA의 데이터를 합성한 것이다.
ALMA를 이용하여 수집한 데이터가 중심 부분에 오렌지색으로 보인다.

 

Credit: NASA/ESA Hubble; CARMA; Katey Alatalo

 

사진 2> 이 사진은 허블 우주망원경과 CARMA가 촬영한 NGC 1266의 관측 데이터를 합성한 것이다.
확대 사진에는 블랙홀의 제트에 의해 분출되고 있는 분자 가스를 보여주고 있으며(붉은 색과 푸른색) 중심의 CARMA 데이터(노란색)는 고밀도 분자 가스를 나타내고 있다.

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2014년 12월 17일자
          https://public.nrao.edu/news/pressreleases/perfect-storm-alma

 

참고 : NGC 1266을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 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 : 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

 

 

원문>

Wednesday, Dec. 17, 2014

'Perfect Storm' Quenching Star Formation around a Supermassive Black Hole

High-energy jets powered by supermassive black holes can blast away a galaxy’s star-forming fuel, resulting in so-called "red and dead" galaxies: those brimming with ancient red stars yet containing little or no hydrogen gas to create new ones.

Now astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have discovered that black holes don’t have to be nearly so powerful to shut down star formation. By observing the dust and gas at the center of NGC 1266, a nearby lenticular galaxy with a relatively modest central black hole, the astronomers have detected a “perfect storm” of turbulence that is squelching star formation in a region that would otherwise be an ideal star factory.

This turbulence is stirred up by jets from the galaxy’s central black hole slamming into an incredibly dense envelope of gas. This dense region, which may be the result of a recent merger with another smaller galaxy, blocks nearly 98 percent of material propelled by the jets from escaping the galactic center.

“Like an unstoppable force meeting an immovable object, the particles in these jets meet so much resistance when they hit the surrounding dense gas that they are almost completely stopped in their tracks,” said Katherine Alatalo, an astronomer with the Infrared Processing and Analysis Center at the California Institute of Technology in Pasadena and lead author on a paper published in the Astrophysical Journal. This energetic collision produces powerful turbulence in the surrounding gas, disrupting the first critical stage of star formation. “So what we see is the most intense suppression of star formation ever observed,” noted Alatalo.

Previous observations of NGC 1266 revealed a broad outflow of gas from the galactic center traveling up to 400 kilometers per second. Alatalo and her colleagues estimate that this outflow is as forceful as the simultaneous supernova explosion of 10,000 stars. The jets, though powerful enough to stir the gas, are not powerful enough to give it the velocity it needs to escape from the system.

“Another way of looking at it is that the jets are injecting turbulence into the gas, preventing it from settling down, collapsing, and forming stars,” said National Radio Astronomy Observatory astronomer and co-author Mark Lacy.

The region observed by ALMA contains about 400 million times the mass of our Sun in star-forming gas, which is 100 times more than is found in giant star-forming molecular clouds in our own Milky Way. Normally, gas this concentrated should be producing stars at a rate at least 50 times faster than the astronomers observe in this galaxy.

Previously, astronomers believed that only extremely powerful quasars and radio galaxies contained black holes that were powerful enough to serve as a star-forming “on/off” switch.

“The usual assumption in the past has been that the jets needed to be powerful enough to eject the gas from the galaxy completely in order to be effective at stopping start formation,” said Lacy.

To make this discovery, the astronomers first pinpointed the location of the far-infrared light being emitted by the galaxy. Normally, this light is associated with star formation and enables astronomers to detect regions where new stars are forming. In the case of NGC 1266, however, this light was coming from an extremely confined region at the center of the galaxy. “This very small area was almost too small for the infrared light to be coming from star formation,” noted Alatalo.

With ALMA’s exquisite sensitivity and resolution, and along with observations from CARMA (the Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy), the astronomers were then able to trace the location of the very dense molecular gas at the galactic center. They found that the gas is surrounding this compact source of far-infrared light.

Under normal conditions, gas this dense would be forming stars at a very high rate. The dust embedded within this gas would then be heated by young stars and seen as a bright and extended source of infrared light. The small size and faintness of the infrared source in this galaxy suggests that NGC 1266 is instead choking on its own fuel, seemingly in defiance of the rules of star formation.

The astronomers also speculate that there is a feedback mechanism at work in this region. Eventually, the black hole will calm down and the turbulence will subside so star formation can begin anew. With this renewed star formation, however, comes greater motion in the dense gas, which then falls in on the black hole and reestablishes the jets, shutting down star formation once again.

NGC 1266 is located approximately 100 million light-years away in the constellation Eridanus. Leticular galaxies are spiral galaxies, like our own Milky Way, but they have little interstellar gas available to form new stars.

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