초거대질량의 블랙홀 주변에서 유지되고 있는 유기분자들

 

Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), S. Takano et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven

 

사진1> 이 사진은 ALMA와 허블 우주망원경으로 바라본 M77 은하의 중심 부분이다.

노란색은 시아노아세틸렌(HC3N)을, 붉은 색은 일황화탄소(CS)를, 그리고 파란색은 일산화탄소를 나타내며 이는 ALMA에 의해 관측된 것이다.

시아노아세틸렌은 은하의 중심지역에 위치한 핵주변원반에 많이 존재하는 반면 일산화탄소는 별들이 폭발적으로 생성되는 고리에 주로 분포한다.

반면 일황화탄소는 양쪽 지역 모두에 분포하고 있다.

 

 

초거대질량의 블랙홀 주변에서 유지되고 있는 유기분자들

 

천문학자들이 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용하여 아마추어 천문가들에게 M77로 알려져 있기도 한 NGC 1068 중심의 초거대질량 블랙홀 근처에서 강력한 복사를 견뎌내고 있는 특정 유기분자들을 발견하였다.

복잡한 탄소 기반의 이 분자들은 초거대질량의 블랙홀 주변에 퍼져 있는 강력한 X선 및 자외선 광자에 의해 쉽게 파괴되는 것으로 생각되어 왔다. 

 

그런데 ALMA의 관측에 따르면 이 거친 지역에서조차 안정된 분자 덩어리들이 존재하며 이들은 치명적인 복사에도 불구하고 고밀도로 뭉쳐진 먼지와 가스에 의해 보호받고 있는 것으로 보인다.

 

 

은하의 환경에 대한 단서를 알려주는 분자들

 

성간 가스는 주변 환경조건에 따라 다양한 분자들을 품게 된다.
예를 들어 활발하게 별들이 만들어지고 있는 고온 지역에서 만들어지는 분자는 차가운 성간 우주공간에서 발견되는 분자와는 다르다.

이러한 사실은 과학자들로하여금 특정 지역에서 발생한 복사의 화학적 조성을 분석함으로써, 해당 지역의 온도와 밀도를 알 수 있도록 만들어주고 있다.

 

천문학자들은 오랫동안 초거대질량 블랙홀 주변의 분자 신호에 대해 연구해왔다. 
그 대상 지역은 폭발적으로 별을 생성해내는 지역 근처와 활성블랙홀에 나선형으로 빨려들어가면서 형성된  핵주변원반(circumnuclear disks, CND) 으로 알려진 먼지와 가스의 고리 주변, 이렇게 두 지역이다.

이 지역들은 모두 은하의 진화양상을 이해하는데 있어 중요한 지역이다.

그러나 분자로부터 방출되는 약한 라디오파 복사는 관측을 어렵게 만드는 장애물이기도 하다.

 

 

ALMA를 이용한 분자추적

 

초거대질량 블랙홀 주변의 복잡하고 에너지 넘치는 환경을 이해하기 위해 일본 국립천문대 슈로 타카노(Shuro Takano)와 나고야 대학 타쿠 나카지마(Taku Nakajima)가 이끄는 연구팀은 고래자리 방향으로 지구로부터 4천 7백만 광년 거리에 위치한 나선은하 M77을 관측하였다.

 

이 은하는 활동적으로 주변 물질을 삼켜버리고 있는 중심 블랙홀을 품고 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 블랙홀 주변에 핵주변원반(CND)이 있음을 알려주는 것이기도 하다.

이 원반은 교대로 나타나는 3500광년 너비의 폭발적으로 별을 생성해내는 고리에 의해 둘러싸여 있다.  

 

이 지역을 관측하기 위해 연구팀은 일본국립천문대 산하 노베야마 전파 천문대의 45미터 전파 망원경의 관측에 의해 취득된 초기 데이터에 ALMA의 강력한 감도와 고도의 화상화 능력을 결합시켰다.

이 관측에서 주변 원반과 폭발적으로 별들이 생성되고 있는 고리에 분포하는 9종의 분자 분포가 그 정체를 선명히 드러냈다.

 

연구팀의 리더인 타카노의 소감은 다음과 같다.
"이번 관측에서 우리는 고작 16개의 안테나만을 사용했습니다. 이건 전체 ALMA 안테나의 4분의 1에 지나지 않는 수였죠.
그럼에도 불구하고 2시간도 안되는 시간동안 이처럼 많은 분자 분포지도를 얻을 수 있었다는 것이 정말 놀랍기만 합니다.
이처럼 많은 지도를 한 번의 관측에서 획득한 적이 이전에는 전혀 없습니다."

 

그 결과는 분자유형에 따른 분자 분포의 다양성을 명확하게 보여주었다.

일산화탄소의 경우 주로 폭발적으로 별들이 생성되는 고리상에 분포하고 있었음에 반해 시아노아세틸렌(HC3N) 및  아세토니트릴(CH3CN)과 같은 복잡한 유기 분자들을 포함하는 다섯 종의 분자들은 핵주변원반상에 주로 집중되어 있었다.

반면 일황화탄소(carbon monosulfide, CS) 와 메탄올(CH3OH)은 핵주변원반과 별들이 폭발적으로 생성되는 고리 모두에 분포하고 있었다.

 

 

복잡한 유기분자의 보호기재

 

이 초거대질량 블랙홀은 주변 물질들을 게걸스럽게 집어삼키고 있기 때문에 원반은 극단의 온도까지 가열되고, 이로부터 강력한 X선과 자외선 광자들이 복사된다.

복잡한 유기분자들이 이러한 복사 광자에 노출되면 원자간의 연결고리가 파괴되면서 분자 역시 파괴되게 된다.

따라서 천문학자들은 이 지역에서 복잡한 유기분자들이 존재하지 않을 것이라고 생각했다.

 

그러나 ALMA에 의한 관측데이터는 정반대 결과를 보여주었다.

복잡한 유기분자들이 폭발적으로 별들이 생성되는 지역에서는 그다지 많지 않았지만 핵주변 원반에는 풍부하게 존재하고 있었던 것이다.

 

나카지마는 블랙홀 주변 원반에서 아세토니트릴과 시아노아세틸렌과 같이 여러개의 원자를 거느린 복잡한 분자들이 집중되어 있다는 사실은 전혀 예상 밖이었다고 말했다. 

 

연구팀은 유기분자들이 핵주변원반 상에서 손상되지 않을 수 있었던 이유로 이곳에 많은 양의 가스들이 존재하며 이들이  X선과 자외선 광자로부터 유기분자를 보호하는 울타리처럼 작용했을 것이라고 추측하였다.
반면 폭발적으로 별들이 생성되는 지역에서 유기분자들이 상대적으로 보이지 않는 이유는 이곳의 가스밀도가 그리 높지 않기 때문이라고 추측했다.

 

연구원들은 이번 연구 결과가 M77의 활성블랙홀 주변에 존재하는 가스의 구조와 온도, 밀도를 이해하는데 있어 중요한 첫발을 내딛는 결과라고 평가했다.

타카노는 앞으로 좀더 광범위한 대역과 높은 해상도의 관측을 통해 이 지역 전반의 모습을 볼 수 있게 될 것이라고 평가했다.

 

연구팀의 일원인 버지니아 대학 에릭 허브스트( Eric Herbst )의 소감은 다음과 같다.
"ALMA는 천문화학에 있어 완전히 새로운 영역을 개척해주었습니다.
우주 전역의 분자를 탐지하고 이를 추적함으로써,  M77의 블랙홀 주변 지역처럼 전혀 알 수 없었던 숨겨진 지역들에 대해 많은 것을 알 수 있게 될 것입니다."

 

이번 연구 결과는 일본천문학회 천문학회지에 다음과 같은 제목으로 발표되었다.
"ALMA를 통해 관측한 세이퍼트 은하 NGC 1068의 핵주변 원반과 폭발적으로 별들이 생성되는 고리의 분자분포"(2014년 8월, 타카노와 동료 연구원들)
"ALMA의 고해상도 화상화 관측을 기반으로 한 NGC 1068에서의 다중 전이 분자연구"(2015년 2월, 나카지마와 동료 연구원들)

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 2월 26일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/alma-m77    

 

참고 : M77을 비롯한 은하에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

 

원문>

For Release: February 26, 2015

Pockets of Calm Protect Molecules around a Supermassive Black Hole

Researchers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have discovered regions where certain organic molecules somehow endure the intense radiation near the supermassive black hole at the center of galaxy NGC 1068, also known to amateur stargazers as M77.

Such complex carbon-based molecules are thought to be easily obliterated by the strong X-rays and ultraviolet (UV) photons that permeate the environment surrounding supermassive black holes. The new ALMA data indicate, however, that pockets of calm exist even in this tumultuous region, most likely due to dense areas of dust and gas that shield molecules from otherwise lethal radiation.

Molecules Reveal Clues to Galactic Environments

Interstellar gas contains a wide variety of molecules, which differ wildly depending on the environment. For example, high-temperature, active star forming regions produce different molecules than would be found in colder interstellar regions. This enables scientists to probe the temperature and density of certain regions by studying their chemical composition.

Astronomers have long been studying the molecular signatures around supermassive black holes: both nearby starburst regions and surrounding rings of dust and gas known as a circumnuclear disks (CND) that spiral-in to feed an active black hole. These regions are important for understanding the evolution of galaxies. However, weak radio emission from the molecules there often makes observations difficult.   

ALMA Observations Trace Molecules

To better understand the complex and energetic environs around a supermassive black hole, the research team -- led by Shuro Takano at the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) and Taku Nakajima at Nagoya University -- observed the spiral galaxy M77, which is located about 47 million light-years from Earth in the direction of the constellation Cetus (the Whale).

This galaxy is known to have an actively feeding central black hole, which indicates it has a substantial circumnuclear disk. That disk, in turn, is surrounded by a 3,500 light-year wide starburst ring. To probe these areas, the research team added ALMA’s extreme sensitivity and high-fidelity imaging capabilities to earlier observations conducted by the 45-meter radio telescope at the Nobeyama Radio Observatory of the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ).

The new ALMA observations clearly reveal the distributions of nine types of molecules in the surrounding disk and starburst ring.

“In this observation, we used only 16 antennas, which are about one-fourth of the complete number of ALMA antennas, but it was really surprising that we could get so many molecular distribution maps in less than two hours. We have never obtained such a quantity of maps in one observation,” said Takano, the leader of the research team.  

The results clearly show that the molecular distribution varies according to the type of molecule. While carbon monoxide (CO) is distributed mainly in the starburst ring, five types of molecules, including complex organic molecules such as cyanoacetylene (HC₃N) and acetonitrile (CH₃CN), are concentrated primarily in the CND. In addition, carbon monosulfide (CS) and methanol (CH₃OH) are distributed both in the starburst ring and the CND.

Shielding Complex Organics around a Black Hole

As the supermassive black hole devours the surrounding material, this disk is heated to such extreme temperatures that it emits intense X-rays and UV photons. When complex organic molecules are exposed to these photons, their atomic bonds are broken and the molecules are destroyed. Astronomers assumed that such regions would therefore be devoid of such complex organics. The ALMA observations, however, proved the contrary: Complex organic molecules are abundant in the CND, though not so in the broader starburst region.  

"It was quite unexpected that complex molecules with a large number of atoms like acetonitrile and cyanoacetylene are concentrated around the black hole's disk," said Nakajima.

The research team speculates that organic molecules remain intact in the CND due to the large amount of gas there, which acts as a barrier for the X-rays and UV photons, while organic molecules cannot survive the exposure to the strong UV photons in the starburst region where the gas density is comparatively lower.

The researchers point out that these results are a significant first step in understanding the structure, temperature, and density of gas surrounding the active black hole in M77. “We expect that future observations with wider bandwidth and higher resolution will show us the whole picture of this region," said Takano.  

“ALMA has launched an entirely new era in astrochemistry,” said Eric Herbst of the University of Virginia in Charlottesville and a member of the research team. “Detecting and tracing molecules throughout the cosmos enables us to learn so much more about otherwise hidden areas, like the regions surrounding the black hole in M77.”

These results were published by Takano et al. as “Distributions of molecules in the circumnuclear disk and surrounding starburst ring in the Seyfert galaxy NGC 1068 observed with ALMA” (in the astronomical journal Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ), issued in August 2014) and by Nakajima et al. “A Multi-Transition Study of Molecules toward NGC 1068 based on High-Resolution Imaging Observations with ALMA” (in PASJ issued in February 2015).

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Contacts:
Charles Blue, NRAO Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu

Masaaki Hiramatsu, PhD, Public Outreach Officer at NAOJ
+81-422-34-3630; hiramatsu.masaaki@nao.ac.jp

This research was conducted by:
• Shuro TAKANO (NAOJ Nobeyama Radio Observatory/SOKENDAI)
• Taku NAKAJIMA (Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University)
• Kotaro KOHNO (Institute of Astronomy/Research Center for the Early Universe, The University of Tokyo)
• Nanase HARADA (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics [At the time of writing: Max Planck Institute for Radio Astronomy])
• Eric HERBST (University of Virginia)
• Yoichi TAMURA (Institute of Astronomy, The University of Tokyo)
• Takuma IZUMI (Institute of Astronomy, The University of Tokyo)
• Akio TANIGUCHI (Institute of Astronomy, The University of Tokyo)
• Tomoka TOSAKI (Joetsu University of Education)

Eric Herbst gratefully acknowledges the support of the National Science Foundation for his astrochemistry program. He also acknowledges support from the NASA Exo-biology and Evolutionary Biology program through a subcontract from Rensselaer Polytechnic Institute.

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.