미리내 중심에서 발생한 시속 320만 킬로미터의 폭풍을 발견하다.

 

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

 

표1> 이 도표는 '페르미 거품'을 분석하게 위해 어떻게 퀘이사의 빛을 감지해 내는지를 보여주고 있다.
두 개의 구체는 미리내 중심부로부터 몰아쳐나오는 물질들에 의해 만들어진 것이다.

퀘이사의 빛 하나가 이 거품들 중 하나를 통과하고 있다.

이 빛에는 이 거품 내부 물질의 속도와 구성성분에 대한 정보가 새겨지며 이를 통해 결국 그 질량도 도출해 낼 수 있게 된다.

이 폭풍은 약 2백만년전 미리내 중심에서 발생한 파괴적인 사건에 의해 만들어진 것이다.

 

 

미리내 중심에서 발생한 시속 320만 킬로미터의 폭풍을 발견하다.

 

인류의 최초 조상이 막 직립 보행을 시작했을 때, 미리내의 중심부에서는 시속 320만 킬로미터로 가스와 물질들이 뿜어져나오는 거대한 분출이 일어나고 있었다.

그로부터 최소 2백만년이 지난 지금, 천문학자들은 이 폭발의 여파를 목격하고 있는데, 미리내 평면 위아래로 3만광년에 걸쳐 뻗어있는 가스구름의 소용돌이가 그것이다.

 

미리내의 중심 방향 하늘에서 밝게 빛나는 감마선의 거대한 구조가 발견된 것은 5년 전이다.

그 이후 풍선과 같은 모습의 이 구조물들이 X선과 라디오파로 관측되었다.

그러나 천문학자들은 이 수수께끼의 구체에 대한 구성성분과 그 속도를 측정해내기 위해서는 허블 우주망원경이 필요했다.

 

천문학자들은 현재 미리내로부터 팽창해나온 이 물질들의 질량측정을 시도하고 있다.
질량이 측정되면 어떻게 이러한 일이 발생하게 됐는지를 상정하는 몇몇 가설들로부터 이 폭발의 원인을 결정할 수 있게 될 것이다.

 

천문학자들은 이 양극성 구체의 기원에 대하여 두 가지 가설을 제안하고 있는데 첫번째는 미리내의 중심에서 격렬한 별의 탄생에 대한 것이며, 두번째는 초거대질량의 블랙홀로부터 발생한 분출에 대한 것이다.

천문학자들이 비록 다른 은하들의 중심으로부터 뿜어져나오는, 이온화 입자들의 격류로 구성되어 있는 가스상 폭풍들을 목격해왔지만, 우리 은하인 미리내의 폭풍은 특별히 지근거리에서 목격되는 독보적인 사건이다.

 

이번 연구의 수석 연구원인 우주망원경과학 연구소, 앤드류 폭스( Andrew Fox)의 설명은 다음과 같다.
"다른 은하들의 중심을 보면 그 은하들은 훨씬 멀리 있기 때문에 해당 은하에서 발생하는 폭풍은 훨씬 작게 보이죠,
그러나 지금 우리가 보고 있는 폭풍구름은 우리 은하에 있으며 고작 2만 5천광년 떨어져있습니다.
우리는 VIP 석에 자리를 잡고 이 광경을 보고 있는 셈이죠.
따라서 우리는 이 구조물들의 세세한 모습을 연구할 수 있습니다.
이 거품들이 얼마나 거대한 규모이고, 얼마나 넓은 하늘을 차지하고 있는지를 측정할 수 있죠."

 

폭스의 연구 결과는 아스트로피지컬 저널에 개재될 예정이며 시애틀에서 열릴 예정인 전미 천문학회에서 발표될 예정이다.

 

'페르미의 거품들(Fermi Bubbles)'이라 불리는 이 거대한 거품들은 NASA 페르미 감마선 우주망원경에 의해 처음으로 발견되었다.

고에너지 감마선의 감지는 미리내의 중심부에서 에너지가 가득찬 가스를 우주공간으로 공격적으로 뿜어낼만큼 파괴적인 사건이 있었음을 암시하는 것이었다.

 

폭발적으로 쏟아져나오는 이 기류에 대한 좀더 많은 정보를 제공하기 위해 폭스는 허블 COS(우주기원분광측정기, Cosmic Origins Spectrograph)를 이용하여 북쪽 거품 기저부 뒤쪽에 위치한 퀘이사의 자외선을 관측하였다. 

구체를 통과해온 빛에는 거품 속에서 팽창하고 있는 가스의 속도와 구성성분, 온도에 대한 정보가 새겨지게 되는데 이것은 오직 COS에 의해서만 분석할 수 있는 정보이다.

 

폭스의 연구팀은 우리로부터 가까운 쪽에 있는 거품 면이 가스가 지구를 향해 돌진해오고 있으며, 반대쪽은 멀어지고 있다는 것을 알아냈다.

또한 COS의 분광 데이터는 이 가스가 미리내 중심으로부터 시속 320만 킬로미터의 속도로 팽창하고 있음을 알려주었다.

 

이번 논문의 공동저자인 우주망원경과학 연구소 롱몬 보르도로이(Rongmon Bordoloi)의 설명은 다음과 같다.
"이것은 우리가 아는한 양극성으로 몰아쳐나오는 폭풍에서 발생하는 신호와 정확히 일치합니다.
우리는 현재 위치에서 미리내 중심까지 아무런 시선의 방해가 없는 가장 가까운 곳에 위치하고 있어서
이 거품들이 계속 확대되는 모습과 에너지를 공급받고 있는 모습을 볼 수 있는 것입니다."

 

COS를 통한 관측은 또한 사상 처음으로 이 가스 구름을 휩쓸고 있는 물질들의 분포도 측정할 수 있게 해 주었다.

COS의 데이터로부터 규소, ,탄소, 알루미늄이 검출되었는데, 이는 이 가스에 별의 내부에서 만들어져 별 형성의 화석으로 남아있는 무거운 원소들이 풍부하게 존재한다는 점을 말해준다.

 

COS가 측정한 가스의 온도는 약 9700도였는데, 이는 대략 1천만도로 생각되는 대부분의 초고온 가스들보다는 훨씬 낮은 온도였다.

폭스는 이에 대해 우리가 아마도 미리내 원반에 있는 성간 가스들로서 뜨거운 폭풍 속으로 밀려들어간 차가운 가스들을 우리가 보고 있는것 같다고 말했다.

 

이러한 결과는 마치 풍선을 뚫고 들어가는 바늘처럼 페르미 거품을 통과하거나 스쳐지나온 20개의 퀘이사 빛을 분석한 결과 도출된 최초의 결과이다.

모든 샘플에 대한 분석을 통해 미리내 중심으로부터 분출되어나온 물질들의 질량이 곧 도출될 것이다.

 

천문학자들은 도출된 질량을 거품내의 각 위치에 따라 다양하게 나타나는 속도와 함께 비교하여 이러한 거품을 만들어내고 추동시킨 폭발적인 사건의 원인이 무엇인지를 추적하게 될 것이다. 

그 원인에 대한 가설중 하나는 이 폭풍이 광적으로 별들이 생성되던 당시 만들어진 초신성에 의해 가스들이 몰아쳐나오면서 만들어졌을 것으로 예측하고 있다.

 

또다른 가설은 일련의 별들이 미리내 중심의 초거대질량 블랙홀로 추락한 사건을 가정하고 있다.

이러한 일들이 일어날 때 블랙홀에 의해 엄청나게 가열된 가스가 우주공간으로 몰아쳐나가기 시작했다고 가정하고 있는 것이다.

 

이 거품의 나이는 미리내보다는 한참 어리기 때문에 이러한 현상은 미리내의 역사에서 반복적으로 나타나는 현상일 수도 있다.

그 추동기재가 무엇이든간에 이 사건은 블랙홀이 중심지역에 몰린 물질들을 갑자기 먹어치우는 때마다 발생하는 사건일 것으로 보인다. 

 

폭스의 설명은 다음과 같다. 
"이건 마치 미리내의 딸꾹질인것처럼 보입니다.
미리내 중심에서는 이와 같은 거품을 만들어내는 물질 분출이 반복되고 있을 겁니다. 우리가 이제 막 가장 최근에 발생한 현상을 포착한 것이죠.
우리의 관측 프로그램에 입각하여 또다른 퀘이사로부터 발생한 빛을 연구하면 아마도 이전에 발생한 폭풍의 잔재도 발견할 수 있을지 모릅니다."
 

은하폭풍은 중심지역에서 맹렬하게 새로운 별들을 생성해내고 있는 M82 은하와 같은 은하에서는 일반적으로 나타나는 일이다.

 

폭스의 설명은 다음과 같다.
"새로 생성되는 별의 양과 은하에서 쏟아져나오는 폭풍이 존재하는지 여부는 연관관계가 있는것처럼 보입니다.
비록 현재 미리내의 경우 연간 한 두 개 정도의 별만을 만들어내고 있지만 은하 중심으로갈수록 새로 생성되는 별은 보다 자주 존재하고 있답니다."

 

* 출처 : 허블사이트 2015년 1월 5일 발표 뉴스
            http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/03/full/

 

참고 : 우리은하 미리내를 비롯한 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 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

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-03

Hubble Discovers that Milky Way Core Drives Wind at 2 Million Miles Per Hour

At a time when our earliest human ancestors had recently mastered walking upright, the heart of our Milky Way galaxy underwent a titanic eruption, driving gases and other material outward at 2 million miles per hour.

Now, at least 2 million years later, astronomers are witnessing the aftermath of the explosion: billowing clouds of gas towering about 30,000 light-years above and below the plane of our galaxy.

The enormous structure was discovered five years ago as a gamma-ray glow on the sky in the direction of the galactic center. The balloon-like features have since been observed in X-rays and radio waves. But astronomers needed NASA's Hubble Space Telescope to measure for the first time the velocity and composition of the mystery lobes. They now seek to calculate the mass of the material being blown out of our galaxy, which could lead them to determine the outburst's cause from several competing scenarios.

Astronomers have proposed two possible origins for the bipolar lobes: a firestorm of star birth at the Milky Way's center or the eruption of its supermassive black hole. Although astronomers have seen gaseous winds, composed of streams of charged particles, emanating from the cores of other galaxies, they are getting a unique, close-up view of our galaxy's own fireworks.

"When you look at the centers of other galaxies, the outflows appear much smaller because the galaxies are farther away," said Andrew Fox of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, lead researcher of the study. "But the outflowing clouds we're seeing are only 25,000 light-years away in our galaxy. We have a front-row seat. We can study the details of these structures. We can look at how big the bubbles are and can measure how much of the sky they are covering."

Fox's results will be published in The Astrophysical Journal Letters and will be presented at the American Astronomical Society meeting in Seattle, Washington.

The giant lobes, dubbed Fermi Bubbles, initially were spotted using NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope. The detection of high-energy gamma rays suggested that a violent event in the galaxy's core aggressively launched energized gas into space. To provide more information about the outflows, Fox used Hubble's Cosmic Origins Spectrograph (COS) to probe the ultraviolet light from a distant quasar that lies behind the base of the northern bubble. Imprinted on that light as it travels through the lobe is information about the velocity, composition, and temperature of the expanding gas inside the bubble, which only COS can provide.

Fox's team was able to measure that the gas on the near side of the bubble is moving toward Earth and the gas on the far side is travelling away. COS spectra show that the gas is rushing from the galactic center at roughly 2 million miles an hour (3 million kilometers an hour).

"This is exactly the signature we knew we would get if this was a bipolar outflow," explained Rongmon Bordoloi of the Space Telescope Science Institute, a co-author on the science paper. "This is the closest sightline we have to the galaxy's center where we can see the bubble being blown outward and energized."

The COS observations also measure, for the first time, the composition of the material being swept up in the gaseous cloud. COS detected silicon, carbon, and aluminum, indicating that the gas is enriched in the heavy elements produced inside stars and represents the fossil remnants of star formation.

COS measured the temperature of the gas at approximately 17,500 degrees Fahrenheit, which is much cooler than most of the super-hot gas in the outflow, thought to be at about 18 million degrees Fahrenheit. "We are seeing cooler gas, perhaps interstellar gas in our galaxy's disk, being swept up into that hot outflow," Fox explained.

This is the first result in a survey of 20 faraway quasars whose light passes through gas inside or just outside the Fermi Bubbles — like a needle piercing a balloon. An analysis of the full sample will yield the amount of mass being ejected. The astronomers can then compare the outflow mass with the velocities at various locations in the bubbles to determine the amount of energy needed to drive the outburst and possibly the origin of the explosive event.

One possible cause for the outflows is a star-making frenzy near the galactic center that produces supernovas, which blow out gas. Another scenario is a star or a group of stars falling onto the Milky Way's supermassive black hole. When that happens, gas superheated by the black hole blasts deep into space. Because the bubbles are short-lived compared to the age of our galaxy, it suggests this may be a repeating phenomenon in the Milky Way's history. Whatever the trigger is, it likely occurs episodically, perhaps only when the black hole gobbles up a concentration of material.

"It looks like the outflows are a hiccup," Fox said. "There may have been repeated ejections of material that have blown up, and we're catching the latest one. By studying the light from the other quasars in our program, we may be able to detect the fossils of previous outflows."

Galactic winds are common in star-forming galaxies, such as M82, which is furiously making stars in its core. "It looks like there's a link between the amount of star formation and whether or not these outflows happen," Fox said. "Although the Milky Way overall currently produces a moderate one to two stars a year, there is a high concentration of star formation close to the core of the galaxy."

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