초거대질량의 블랙홀로부터 몰아쳐나오는 폭풍의 형태 - 1

 

 

 

NASA의 NuSTAR(the Nuclear Spectroscopic Telescope Array-원자력분광망원경배열)와 ESA의 XMM-뉴턴 망원경에 의해 획득된 이 일련의 데이터는 사상 처음으로 초거대질량의 블랙홀이나 퀘이사로부터 몰아쳐나오는 폭풍의 형태를 결정할 수 있게 해주었다.

폭풍은 전방향으로 고르게 퍼져 나가 거의 구형에 가까운 형태를 띠며, 은하의 양쪽 방향 모두로 뻗어나가고 있었다.(이 그림에는 한쪽 방향만 묘사되어 있다.)

 

이 도표는 PDS 456이라 불리는 극도의 밝기를 가진 퀘이사로부터 뿜어져나오는 X선의 밝기를 보여주는 것으로서 오른쪽이 고에너지 광선을 나타낸다.

XMM-뉴턴 망원경은 여기서 저에너지 X선을 관측하였으며 NuSTAR는 이보다 높은 영역의 X 선을 관측하였다.

 

XMM 뉴턴 망원경은 2001년에 이미 PDS 456 퀘이사를 관측한바 있다.

당시 XMM 뉴턴 망원경의 관측자료에서 X선의 에너지준위는 11킬로전자 볼트에 달하는 수준이었다.

 

이 데이터들로부터 과학자들은 흡수특징(absorption feature)이라 불리는 급작스런 X선의 하강 양상을 감지해냈다.

이러한 급강하 양상은 다른물질들과 함께 이 폭풍에 의해 운반되는 철 원자로부터 발생하는 것으로 특정 에너지 영역의 X선이 흡수되면서 나타나는 것이었다.

또한 이 흡수특징은  청색 편이를 띠고 있었는데 이는 폭풍이 관측자를 향해 돌진하고 있음을 의미하는 것이었다.

 

다시말해서, 2001년 수집된 XMM-뉴턴 망원경의 데이터는 블랙홀로부터 쏟아져나오는 폭풍 중 최소한 일부는 관측자의 방향을 향하고 있다는 점을 말해주는 것이었다.
그러나 당시에는 이 폭풍이 우리의 시선쪽으로 좁은 광선처럼 쏟아져나오는 것인지, 아니면 모든 방향으로 퍼져나오는 것인지 여부를 알 수 없었다.

왜냐하면 XMM-뉴턴 망원경은 광원(이 경우 퀘이사)의 전면으로만 한정하여 흡수특징을 관측할 수 있었기 때문이다.

 

퀘이사의 또 다른 면에서는 어떤 일이 일어나는지를 알아내기 위해 천문학자들은 복사특징(emission feature)이라 부르는 다른 유형의 특징을 찾을 필요가 있었다.

이는 철 원자에 X선의 특정 에너지 영역이 모든 방향으로 반사되면서 발생하는 것으로 관측자의 방향으로만 한정된 것이 아니다. 

 

2012년 발사된 고에너지 X선 망원경인 NASA의 NuSTAR가 2012년 발사된 후 NuSTAR와 XMM-Newton 망원경이 팀을 이뤄 2013년과 2014년, 지속적으로 PDS 456을 관측하였다.

이 도표는 바로 그 결과이다.

 

NuSTAR의 데이터는 오렌지색 원으로 표현되어 있고, XMM-뉴턴 망원경의 데이터는 파란색 네모로 표시되어 있다.

NuSTAR의 데이터는 지속적인 퀘이사 빛(회색선)의 기본 선을 보여주고 있으며 이 선은 블랙홀로부터 몰아쳐나오는 폭풍이 없다면 그대로 유지되고 있을 선에 해당한다.

 

선에서 눈에 띠는 것은 푹 빠져들어가는 곡선과 그 왼쪽의 튀어오른 곡선이다.

이는 철원자의 복사신호로서 블랙홀로부터 몰아쳐나오는 폭풍이 모든 방향으로 몰아쳐나오고 있음을 알려주는 신호이다.

XMM-뉴턴 망원경이 이전에 이미 이 복사선을 감지했을 수도 있지만 NuSTAR가 퀘이사로부터 쏟아져나오는 X선의 기본선을 명확화 해주기 전에는 인식할 수 없는 정보였다.

X선 폭풍이 폭좁은 광선으로 한정되어 있었다면 NuSTAR는 X선 스펙트럼의 훨씬더 높은 지점에서 더 밝은 빛을 관측했을 것이고, 그 어떤 철원자의 복사선도 관측되지 않았을 것이다.

이번 연구 결과는 몇몇 경우에 있어서는 두 개의 망원경이 합작했을 때 어려운 문제를 훨씬 잘 풀 수 있음을 보여주고 있다.

X선 에너지 전 대역을 관측함으로써 천문학자들은 퀘이사에 주변에서 어떤 일이 발생하는지에 대해 보다 완전한 그림을 그릴 수 있게 되었다.

 

출처 : NASA 제트추진연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory) Photo Journal
        http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA18918

 

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

 

원문>

PIA18918: The Answer is Blowing in the Black Hole Wind

Original Caption Released with Image:

This plot of data from two space telescopes, NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) and the European Space Agency's (ESA's) XMM-Newton determines for the first time the shape of ultra-fast winds from supermassive black holes, or quasars. The winds blow in every direction, in a nearly spherical fashion, coming from both sides of a galaxy (only one side is shown here).

The plot shows the brightness of X-ray light from an extremely luminous quasar called PDS 456, with the highest-energy rays on the right. XMM-Newton sees lower-energy X-rays, and NuSTAR, higher. XMM Newton had previously observed the extremely luminous quasar, called PDS 456, on its own in 2001. At that time, it had measured the X-rays up to an energy level of 11 kiloelectron volts. From those data, researchers detected a dip in the X-ray light, called an absorption feature (see dip in plot). The dip is caused by iron atoms -- which are carried by the winds along with other matter -- absorbing the X-ray light of a particular energy. What's more, the absorption feature is 'blueshifted," meaning that the winds are speeding toward us (like a train's whistle shifting to higher frequencies as it races toward you).

In other words, the 2001 XMM-Newton data had told researchers that at least some of the winds were blowing toward us -- but they didn't reveal whether those winds were confined to a narrow beam along our line of sight, or were blowing in all directions. That's because XMM-Newton had only detected absorption features, which by definition occur in front of a light source, in this case, the quasar. To probe what was happening to at sides of the quasar, the astronomers needed to find a different type of feature called an emission feature. These occur when iron scatters X-ray light at a particular energy in all directions, not only toward the observer.

Enter NuSTAR to the X-ray astronomy scene, a high-energy X-ray telescope that was launched in 2012. NuSTAR and XMM-Newton teamed up to observe PDS 456 simultaneously in 2013 and 2014. The results are shown in this plot. NuSTAR data are represented as orange circles and XMM-Newton as blue squares. The NuSTAR data reveal the baseline of the "continuum" quasar light (see gray line) -- or what the quasar would look like without any winds. What stands out is the bump to the left of the dips. That's an iron emission signature, the telltale sign that the black hole winds blow to the sides and in all directions.

XMM-Newton might have seen the emission feature before, but the feature couldn't be identified until NuSTAR's elucidated the baseline quasar light. For example, had the X-ray winds been confined to a beam, then NuSTAR would have seen more brightness at the higher end of the X-ray spectrum, and there would have been no iron emission feature.

The results demonstrate that, in some cases, two telescopes are better than one at solving tricky problems. By observing the entire X-ray energy range, the astronomers were able to get a more complete picture of what is happening around the quasar.

NuSTAR's mission operations center is at UC Berkeley, with the ASI providing its equatorial ground station located at Malindi, Kenya. The mission's outreach program is based at Sonoma State University, Rohnert Park, California. NASA's Explorer Program is managed by Goddard. JPL is managed by Caltech for NASA.

For more information, visit http://www.nasa.gov/nustar and http://www.nustar.caltech.edu/.

Image Credit: NASA/JPL-Caltech/Keele Univ.
Image Addition Date: 2015-02-19