IRAS F11119+3257 : 별의 원재료를 날려버리는 블랙홀의 폭풍

 

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그림 1> 천문학자들이 IRAS F11119+3257 은하의 중심부에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀을 연구하여 블랙홀에서부터 몰아쳐나오는 폭풍이 은하에서 새로운 별들을 만들어내는 원재료의 저장고를 날려버리고 있다는 증거를 발견했다.

이번 발견은 허셜우주망원경의 데이터와 수자쿠 X선 천문위성(the Suzaku X-ray astronomy satellite)의 데이터를 이용하여 이루어졌다.

이 두 개 데이터를 함께 이용하여 천문학자들은 중심 블랙홀로부터 추동되는 폭풍을 X선으로 감지해냈고, 이 폭풍이 은하 전역에 영향을 미쳐 은하의 가스를 밀어내고 있다는 것을 적외선으로 감지해냈다.

이 상상화는 이 두 가지 현상을 함께 묘사한 것이다.

이 폭풍은 광속의 25% 수준의 속도로 작고 빠르게 시작되어 매년 태양 하나의 질량에 해당하는 물질을 밀어내고 있었다.

그리고 이 폭풍이 바깥쪽으로 몰아쳐나갈수록 폭풍의 속도는 줄어들었지만 매년마다 800 개의 태양 질량에 달하는 가스 분자들을 추가로 쓸어내어 은하 바깥으로 밀어내고 있었다.

이번 발견은 블랙홀의 폭풍이 자신이 속한 은하의 분자 가스를 박탈하여 결국 별생성 활동을 완전히 멈춰버리게 만들 수 있다는 점에 대한 확실한 첫번째 증거이기도 하다. 

 

 

IRAS F11119+3257 : 별의 원재료를 날려버리는 블랙홀의 폭풍

 

천문학자들이 허셜우주망원경을 이용하여 거대한 블랙홀로부터 몰아쳐나오는 폭풍이 자신이 속한 은하의 별생성에 필요한 원재료 창고를 날려버리고 있음을 발견했다.

대부분의 은하 심장부에서 발견되는 초거대질량의 블랙홀들은 태양 질량의 수백만배에서 수십억배 사이의 질량을 유지하고 있는 고밀도로 뭉쳐진 천체이다.

그중 많은 수의 블랙홀들은 미리내의 중심에 자리잡고 있는 블랙홀처럼 상대적으로 소극적인 활동양상을 보인다.

그러나 이들 블랙홀 중 몇몇은 주위 물질을 게걸스럽게 먹어치우기도 한다.

이들 활성블랙홀들은 단순히 주위 물질을 먹어치우는 것 뿐 아니라 빨아들인 물질들 중 일부를 강력한 폭풍과 제트로 분출하기도 한다.

 

천문학자들은 오랫동안 이 폭풍이 새로운 별들을 만드는 주재료로 쓰이는 은하의 성간 가스를 배출하는 작용을 한다고 의심해 왔다.

따라서 이러한 활동은 은하의 별 생성 활동에 영향을 미쳐 별 생성 속도를 현저히 떨어뜨리거나 완전히 중단하게 되는 결과를 초래한다.

지금까지 이 과정을 완전하게 포착해내기는 불가능했었다.

 

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그림 2> 은하의 중심에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀 중 몇몇은 주변의 물질들을 게걸스럽게 먹어치운다.

이들은 이렇게 빨아들인 물질들 중 일부를 강력한 폭풍과 제트를 통해 분출시킨다.

이 상상화는 어떻게 블랙홀이 원반형태(오렌지색)로 주변의 물질들을 축적시키는지를 보여주고 있다.

이렇게 축적된 물질들 중 일부는 폭풍에 의해 밀려나가며(파란색)  번갈아가면 거대 규모의 분가가스폭풍(빨간색)에 에너지를 제공하게 된다.

 

대신 천문학자들은 X선 망원경들을 활용하여 블랙홀과 매우 가까운 거리에 존재하는 폭풍을 감지할 수 있었으며 엄청난 규모로 발생하는 은하의 가스 분자 폭풍은 적외선 관측을 통해 추적할 수 있었지만 이 두 개를 동일한 은하에서 한꺼번에 발견하는 것은 성공하지 못했었다.

 

이번 새로운 연구 결과는 이러한 상황을 역전시켜 특정 블랙홀로부터 추동된 폭풍을 가장 작은 스케일에서 가장 거대한 스케일까지 감지해냈다.

 

2015년 3월 넷째주에 네이처지에 개재된 논문의 주저자인 NASA 고다드 우주비행센터의 프란시스코 톰베시(Francesco Tombesi)의 설명은 다음과 같다.
"활성 상태의 초거대질량의 블랙홀에서 자신이 품고 있는 은하의 별생성 가스 저장고를 날려버리는 모습을 목격한 것은 이번이 처음입니다."

 

ESA 허셜 우주망원경의 적외선 관측 데이터와 일본/미국 수자쿠 X선 위성으로부터 취득한 데이터를 함께 활용하여 천문학자들은 블랙홀 근처의 폭풍을 감지하였을 뿐 아니라 이 폭풍이 IRAS F11119+3257이라는 은하의 가스를 전역에서 밀어내고 있는 있음을 감지해냈다. 

 

Copyright NASA/SDSS/S. Veilleux

 

사진1> IRAS F11119+3257의 중력조석작용에 의한 것으로 보이는 희미한 잔해는 이 은하가 충돌이 진행중임을 알려주는 신호이다.

배경 사진은 슬로안 디지털 스카이 서베이(the Sloan Digital Sky Survey)에 의해 획득된 것이며 네모상자의 빨간색 필터 사진은 하와이대학 2.2 미터 구경의 망원경으로 촬영한 것이다.

천문학자들은 이 은하 중심에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀이 은하에서 새로운 별들을 만들어내는데 사용될 원재료창고를 날려버리고 있다는 증거를 발견했다.

이번 발견은 ESA 허셜우주망원경과 일본/미국 수자쿠 X선 천문위성을 이용하여 이루어졌다.

이 데이터를 함께 이용하여 천문학자들은 중심 블랙홀로부터 추동되는 폭풍을 X선으로 탐지해냈고, 이 폭풍이 은하 전역에 영향을 미쳐 은하의 가스를 밀어내고 있는 상황을 적외선으로 감지해냈다.

 

이 폭풍은 작고 빠르게 시작되어 블랙홀 주변에서는 광속의 25%에 달하는 속도로 분출되고 있으며 매년 태양 하나의 질량에 해당하는 물질을 밀어내고 있었다.

그리고 이 폭풍이 바깥쪽으로 진행되어갈수록 폭풍의 속도는 줄어들었지만 매년마다 수백개의 태양 질량에 달하는 가스 분자들을 추가로 쓸어내어 은하 바깥으로 밀어내고 있었다.

이것은 블랙홀의 폭풍이 자신이 속한 은하의 물질들을 거대한 규모의 폭풍을 통해 은하 바깥으로 밀어낸다는 확고한 첫번째 증거에 해당한다.

이번 발견은 블랙홀이 결국 자신이 속한 은하의 별생성을 완전히 멈춰버리게 만든다는 견해를 지지하고 있다.

 

ESA 허설 프로젝트 과학자인 고란 필브라트( Goran Pilbratt)의 소감은 다음과 같다.
"허셜우주망원경은 이미 별들이 어떻게 탄생하는지에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으켰습니다.
이번 새로운 연구 결과는 몇몇 은하에서의 별 생성이 어떻게 그리고 왜 영향을 받게 되고 심지어는 완전히 멈춰버리게 되는지에 대한 우리의 지식을 향상시켜주고 있습니다.
우주적 '추리소설'에서 그 범인을 마침내 찾은 셈이죠."

 

 

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그림 3> 이 상상화는 IRAS F11119+3257은하의 초거대질량 블랙홀에서 몰아쳐나오는 분자가스 폭풍(빨간색)을 묘사하고 있다. 

 

출처 : ESA SPACE SIENCE 2015년 3월 25일 News
        http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Herschel/Black_hole_winds_pull_the_plug_on_star_formation

 

참고 : IRAS F11119+3257을 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 

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

 

원문>

Black hole winds pull the plug on star formation

Astronomers using ESA’s Herschel space observatory have found that the winds blowing from a huge black hole are sweeping away its host galaxy’s reservoir of raw star-building material.

Found at the hearts of most galaxies, supermassive black holes are extremely dense and compact objects with masses between millions and billions of times that of our Sun.

Many are relatively passive, like the one sitting at the centre of our Milky Way. However, some of them are devouring their surroundings with a great appetite.

These active black holes not only feed on nearby gas but also expel some of it as powerful winds and jets. Astronomers have long suspected these outflows to be responsible for draining galaxies of their interstellar gas, in particular the gas molecules from which stars are born.

This could eventually affect a galaxy’s star-forming activity, slowing it down or possibly quenching it entirely.

Until now, it had not been possible to capture a complete view of this process. While astronomers were able to detect winds very close to black holes using X-ray telescopes, and to trace much larger galactic outflows of gas molecules through infrared observations, they had not succeeded at finding both in the same galaxy.

A new study has changed the scene, detecting winds driven by one particular black hole from the smallest to largest scales. 

“This is the first time that we have seen a supermassive black hole in action, blowing away the galaxy’s reservoir of star-making gas,” explains Francesco Tombesi from NASA’s Goddard Space Flight Center and the University of Maryland, USA, who led the research published this week in Nature.

Combining infrared observations from ESA’s Herschel space observatory with new data from the Japanese/US Suzaku X-ray satellite, the astronomers detected the winds close to the central black hole as well as their global effect in pushing galactic gas away in a galaxy known as IRAS F11119+3257.

The winds start small and fast, gusting at about 25% the speed of light near the black hole and blowing away about the equivalent of one solar mass of gas every year.

As they progress outwards, the winds slow but sweep up an additional few hundred solar masses of gas molecules per year and push it out of the galaxy.

This is the first solid proof that black-hole winds are stripping their host galaxies of gas by driving large-scale outflows.

The new finding supports the view that black holes might ultimately stop stars forming in their host galaxies.

“Herschel has already revolutionised our understanding of how stars are born. This new result is now helping us understand why and how star formation in some galaxies can be globally affected and even switched off entirely,” says Göran Pilbratt, Herschel Project Scientist at ESA.

“The culprit of this cosmic ‘whodunnit’ has been found. As many suspected, a central black hole can power large-scale gas outflows, quenching the formation of stars.” 

Read more about this discovery

More information

“Wind from the black-hole accretion disk driving a molecular outflow in an active galaxy,” by F. Tombesi, et al., is published in the 26 March 2015 issue of the journal Nature.

The study is based on observations performed with the Photoconductor Array Camera and Spectrometer (PACS) instrument on ESA’s Herschel space observatory, as well as on data from the Japanese/US Suzaku mission.

For further information, please contact:

Markus Bauer
ESA Science and Robotic Exploration Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799; +34 91 8131 199
Mob: +31 61 594 3954
Email: markus.bauer@esa.int

Francesco Tombesi
X-ray Astrophysics Laboratory
NASA Goddard Space Flight Center
Greenbelt, MD, USA
and Department of Astronomy and CRESST
University of Maryland, MD, USA
Tel: +1 301 405 3615 / +1 301 286 2661
Email: ftombesi@astro.umd.edu

Göran Pilbratt
Herschel Project Scientist
Tel: +31 71 565 3621
Email: gpilbratt@cosmos.esa.int