초거대질량 블랙홀 바로 옆에서 강력한 자기장을 탐지해내다.

 

Credit:ESO/L. Calcada

동영상> 이 상상화는 대부분의 은하 중심에서 발견되는 전형적인 초거대질량의 블랙홀과 그 주위의 모습을 묘사하고 있다.

블랙홀은 매우 밝게 빛나는 초고온의 추락 물질들로 구성된 강착 원반에 의해 둘러싸여 있으며 더 바깥쪽에는 먼지가 가득한 원형띠에 둘러싸여 있다.

블랙홀의 양극으로는 광속에 육박하는 속도로 물질들이 분출되면서 우주 공간으로 엄청난 거리까지 뻗어나가는 제트들이 자주 관측된다.

ALMA를 이용한 관측결과 블랙홀과 매우 가까운, 제트가 발생하는 지점에서 매우 강력한 자기장을 관측해냈으며 여기에는 아마도 제트의 생성과 정렬에 대한 정보가 포함되어 있을 것으로 보인다.

 

ALMA가 지금까지 은하의 중심지역을 관측한 한계를 넘어, 초거대질량 블랙홀의 사건의 지평선에서 매우 가까운 지점에서 극도의 강력한 자기장을 발견해냈다.

이번 관측은 천문학자들로하여금 은하 중심부에 거대한 질량을 가진 천체들의 구조와 형성, 그리고 극점으로부터 자주 분출되는 고속의 이중 플라즈마 제트에 대해 이해할 수 있도록 해 줄 것이다.

이번 연구결과는 2015년 4월 17일 사이언스 지에 개재되었다.

 

초거대질량의 블랙홀이란 태양의 십억배 이상의 질량을 가진 블랙홀로서 우주에 존재하는 거의 모든 은하의 중심에 위치하고 있다.

이 블랙홀들은 엄청난 양의 물질들을 강착시키면서 주위에 원반을 형성시키게 된다.

대부분의 물질들이 블랙홀에 추락하게 되지만 몇몇은 블랙홀에 잡히기 바로 전에 빠져나와 거의 광속에 달하는 플라즈마 제트의 일부로서 우주공간으로 내던져진다.

비록 이와 같은 일이 사건의 지평선에 매우 가깝게 붙어있으면서 이 일련의 과정에 핵심적인 역할을 수행하며 물질의 탈출을 돕고 있는 강력한 자기장 때문이라고 생각되긴 했지만 어떻게 이런 일이 일어날 수 있는지는 잘 이해되지 않았다.

 

지금까지는 블랙홀로부터 멀리 떨어진 - 수광년 정도 - 약한 자기장만이 관측되어 왔다 [1].

그러나 이번 연구에서 차머즈 공과대학과 온살라 천문대의 천문학자들이 ALMA를 이용하여 PKS 1830-211이라는 멀리 떨어진 은하의 초거대질량 블랙홀의 사건의 지평선 바로 옆에서 강력한 자기장과 직접적인 연관이 있는 신호를 포착해냈다.

 

이 자기장은 물질이 갑작스럽게 블랙홀로부터 튕겨져나가 제트를 형성하는 바로 그 위치에 정확하게 위치하고 있었다.

연구팀은 블랙홀로부터 빠져나오는 빛의 편광양상을 통해 이 자기장의 강도를 측정하였다.

 

이번 논문의 수석 저자인 이반 마티 비달( Ivan Marti-Vidal)의 설명은 다음과 같다.
"편광은 대단히 중요하고 우리 생활에서도 자주 활용되고 있는 빛의 속성입니다.
예를 들어 이 속성은 선글라스나 입체안경에서도 활용되고 있죠. 
이러한 현상이 자연적으로 발생할 때, 이는 자기장을 측정하기 위한 목적으로도 사용될 수 있습니다.
빛이 자기장을 통과하면서 편광양상의 변화를 보이기 때문입니다.
이번에 ALMA를 이용하여 포착한 빛은 블랙홀과 매우 가까이 있어 고에너지 자기 플라즈마가 가득차 있는 지역의 물질을 통과하여 온 빛들입니다."

 

천문학자들은 자신들이 발전시켜온 새로운 분석 기술을 ALMA의 데이터에 적용하였으며 PKS 1830-211 의 중심으로부터 온 복사의 편광 방향이 돌아있는 것을 발견하였다[2].

 

이번에 감지된 파장은 이러한 종류의 연구에서 감지된 파장 중 가장 짧은 파장에 해당했는데, 이는 블랙홀에서 매우 가까운 지역에서 발생했음을 의미하는 것이다. [3]

 

이번 논문의 공동저자인 세바스찬 뮬러( Sebastien Muller)의 소감은 다음과 같다.
"우리는 지금까지 다른 곳에서 발견된 가장 강력한 신호보다도 수백배 더 강력한 편광 회전의 명백한 신호를 발견했습니다.
ALMA를 활용할 수 있었다는데에 감사를 드립니다.
우리의 관측은 전파 관측이라는 부분에서, 그리고 사건의 지평선으로부터 고작 수광일정도 밖에 되지 않은 곳에서 발생한 자기장을 관측할 수 있었던 멀리 떨어진 블랙홀의 관측이라는 측면에 있어서 거대한 도약을 이룬 것입니다.
이번 연구 결과와 앞으로의 연구는 초거대질량의 블랙홀 바로 옆에서 어떤 일들이 일어나고 있는지를 이해하는데 많은 도움을 줄 것입니다. "
 
 

각주

[1] 미리내의 경우 중심에 위치하고 있지만 상대적으로 활동성은 부족한 초거대질량의 블랙홀 근처에서 이보다 훨씬 더 약한 자기장이 관측되었다.

최근에는 활성은하 NGC 1275 에서도 약한 자기장이 관측되기도 하였으며 이는 밀리미터 파장에서 감지되었다.

 

[2] 자기장에서는 패러데이 회전이 도출된다. 이는 서로 다른 파장에서 서로 다른 방향으로 편광 회전을 만들어낸다. 
파장에 따른 회전 양상은 이 지역에 자기장이 존재하고 있음을 말해주는 것이다.

 

[3] 이전 연구에서 사용된 파장들이 훨씬 긴 라디오파였음에 반해 이번 ALMA 관측에서의 유효파장은 대략 0.3밀리미터였다.

오직 밀리미터 단위의 파장을 가진 빛만이 블랙홀과 매우 가까운 곳에서 탈출이 가능하다.

이보다 훨씬 긴 파장의 복사는 블랙홀에 의해 흡수되고 만다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 4월 16일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1515/

 

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

 

원문>

eso1515 — Science Release

ALMA Reveals Intense Magnetic Field Close to Supermassive Black Hole

Illuminating the mysterious mechanisms at play at the edge of the event horizon

16 April 2015

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has revealed an extremely powerful magnetic field, beyond anything previously detected in the core of a galaxy, very close to the event horizon of a supermassive black hole. This new observation helps astronomers to understand the structure and formation of these massive inhabitants of the centres of galaxies, and the twin high-speed jets of plasma they frequently eject from their poles. The results appear in the 17 April 2015 issue of the journal Science.

Supermassive black holes, often with masses billions of times that of the Sun, are located at the heart of almost all galaxies in the Universe. These black holes can accrete huge amounts of matter in the form of a surrounding disc. While most of this matter is fed into the black hole, some can escape moments before capture and be flung out into space at close to the speed of light as part of a jet of plasma. How this happens is not well understood, although it is thought that strong magnetic fields, acting very close to the event horizon, play a crucial part in this process, helping the matter to escape from the gaping jaws of darkness.

Up to now only weak magnetic fields far from black holes — several light-years away — had been probed [1]. In this study, however, astronomers from Chalmers University of Technology and Onsala Space Observatory in Sweden have now used ALMA to detect signals directly related to a strong magnetic field very close to the event horizon of the supermassive black hole in a distant galaxy named PKS 1830-211. This magnetic field is located precisely at the place where matter is suddenly boosted away from the black hole in the form of a jet.

The team measured the strength of the magnetic field by studying the way in which light was polarised, as it moved away from the black hole.

“Polarisation is an important property of light and is much used in daily life, for example in sun glasses or 3D glasses at the cinema,” says Ivan Marti-Vidal, lead author of this work. “When produced naturally, polarisation can be used to measure magnetic fields, since light changes its polarisation when it travels through a magnetised medium. In this case, the light that we detected with ALMA had been travelling through material very close to the black hole, a place full of highly magnetised plasma.”

The astronomers applied a new analysis technique that they had developed to the ALMA data and found that the direction of polarisation of the radiation coming from the centre of PKS 1830-211 had rotated [2]. These are the shortest wavelengths ever used in this kind of study, which allow the regions very close to the central black hole to be probed [3].

"We have found clear signals of polarisation rotation that are hundreds of times higher than the highest ever found in the Universe," says Sebastien Muller, co-author of the paper. "Our discovery is a giant leap in terms of observing frequency, thanks to the use of ALMA, and in terms of distance to the black hole where the magnetic field has been probed — of the order of only a few light-days from the event horizon. These results, and future studies, will help us understand what is really going on in the immediate vicinity of supermassive black holes.”

Notes

[1] Much weaker magnetic fields have been detected in the vicinity of the relatively inactive supermassive black hole at the centre of the Milky Way. Recent observations have also revealed weak magnetic fields in the active galaxy NGC 1275, which were detected at millimetre wavelengths.

[2] Magnetic fields introduce Faraday rotation, which makes the polarisation rotate in different ways at different wavelengths. The way in which this rotation depends on the wavelength tells us about the magnetic field in the region.

[3] The ALMA observations were at an effective wavelength of about 0.3 millimetres, earlier investigations were at much longer radio wavelengths. only light of millimetre wavelengths can escape from the region very close to the black hole, longer wavelength radiation is absorbed.

More information

This research was presented in a paper entitled “A strong magnetic field in the jet base of a supermassive black hole” to appear in Science on 17 April 2015

The team is composed of I. Martí-Vidal (Onsala Space Observatory and Department of Earth and Space Sciences, Chalmers University of Technology, Sweden), S. Muller (Onsala Space Observatory and Department of Earth and Space Sciences, Chalmers University of Technology, Sweden), W. Vlemmings (Department of Earth and Space Sciences and onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Sweden), C. Horellou (Department of Earth and Space Sciences, Chalmers University of Technology, Sweden) and S. Aalto (Department of Earth and Space Sciences, Chalmers University of Technology, Sweden).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the US 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).

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ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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