NGC 3862 : 허블의 동영상에서 그 모습을 드러낸 제트의 충격파

 

Credit: NASA, ESA, and E. Meyer (STScI)

 

사진1> [왼쪽] 허블우주빛통이 촬영한 이 사진은 NGC 3862 은하의 중심부를 담고 있다.
사진에서 3시 방향으로 거의 광속에 달하는 속도로 물질들이 움직이고 있는 제트를 볼 수 있다.        
이 플라즈마 제트는  사자자리 방향으로 2억 6천만 광년 거리에 위치하는 타원은하 중심부 초거대질량의 블랙홀로부터 에너지를 공급받는다. 
[오른쪽] 허블우주빛통이 촬영한 물질 덩어리들의 일련의 모습을 담고 있는 이 사진은 20년간에 걸친 관측 데이터에서 드러난 제트의 움직임을 보여주고 있다. 
천문학자들은 초록색으로 표시된 중간 물질 덩어리가 앞서가던 파란색의 물질덩어리를 따라잡아 합쳐진 것에 놀라움을 금치 못하고 있다.  
새로운 분석 결과는 제트내에서 충돌에 의해 생성된 충격파가 입자들을 더더욱 가속시키고 있으며 이 입자들은 빛줄기의 복사를 좁은 폭으로 제약하고 있다. X자는 블랙홀의 위치를 나타낸다. 

 

만약 당신이 빛의 속도의 98%에 달하는 속도로 우주공간을 가로질러 나간다면 아마도 운전자 보험이 필요할지도 모르겠다.

 

천문학자들이 초거대질량의 블랙홀로부터 뿜어져나온 엄청난 속도의 물질 덩어리 두개가 후면 충돌을 하는 모습을 처음으로 발견해냈다.

이번 발견은 지구로부터 2억 6천만 광년 떨어진 은하가 품고 있는, 초거대질량의 블랙홀로부터 몰아쳐나온 플라즈마 제트의 사진들을 이어모아 동영상을 만드는 와중에 이루어졌다.

 

이번 발견은 "빛의 기병대"처럼 움직이는 제트의 양상에 대한 새로운 통찰을 제공해주고 있다.
너무나 에너지가 넘치는 이 제트는 빛의 여러 배에 달하는 속도로 블랙홀로부터 멀어지고 있는듯한 모습을 보여준다.

 

빛의 속도를 압도하는 듯한 이 움직임은 거의 빛의 속도에 육박하는, 실제로 대단히 빠른 속도를 가진 플라즈마로 인해 나타나는 시각적 환영이다.

 

이러한 외부은하의 제트들에 대해서는 알려진 것이 거의 없다.

이들은 은하 중심에 자리잡고 있는 블랙홀로부터 솟구쳐 나와 특정 폭으로 한정된 빛줄기의 형태로 이동하는 왕성한 에너지를 가진 플라즈마인듯 보인다.

 

이번에 수행된 새로운 관측결과의 분석은 제트 내에 존재하는 충돌들이 충격파를 발생시키며 이 충격파가 입자들을 가속시키는 한편 충돌이 발생하는 물질들이 자리잡은 지역을 더 밝게 빛나게 한다는 점을 알려주고 있다.

이 제트의 동영상은 허블우주빛통이 20여년에 걸쳐 관측한 타원은하 NGC 3862 의 사진들을 조합하여 만들어졌다.

 

Credit: NASA, ESA, and E. Meyers (STScI)   Acknowledgment: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

이 은하는 가시광선으로 제트를 볼 수 있는 몇 안되는 활성은하들 중 하나이며 6번째로 밝은 은하이기도 하다.

허블우주빛통이 가시광선으로 이 제트를 관측한 것은 1992년이었다.

NGC 3862는 Abell 1367로 알려져 있는, 은하를 엄청나게 많이 보유한 은하단의 일원이기도 하다.

 

NGC 3862의 제트는 빛나는 물질의 점들이 늘어선 진주 목걸이와 비슷한 구조를 갖추고 있다.

 

우주망원경과학연구소의 에일린 메이어(Eileen Meyer)는 제트의 움직임을 보다 더 잘 이해하기 위해 허블우주빛통이 촬영한 과거 축적 데이터와 허블우주빛통의 고해상도 관측능력 및 장기간 유지되는 광학적 안정성의 도움을 받아 2014년 촬영된 데이터를 합치는 작업을 진행하였다. 

메이어는 빛의 속도의 7배에 달하는 속도로, 동일 선상에서 여전히 빛의 속도보다 빠르지만 이보다는 천천히 움직이는 매듭의 후미를 따라잡고 있는 매듭들의 모습을 보고 놀라지 않을 수 없었다. 

이러한 충돌의 결과 합쳐진 거품들은 눈에 띠게 밝아지는 양상을 나타냈다.

 

메이어는 외부은하의 제트에서 이와 같은 광경은 전혀 본적이 없다고 말했다.

이 매듭들의 통합이 계속되고 있기 때문에 향후 수십년동안 그 밝기는 계속 증가될 것이다.

메이어는 따라서 충돌에 따른 운동에너지가 어떻게 복사에너지로 전환되는지에 대한 양상을 볼 수 있는 매우 희귀한 기회가 될 것이라고 말했다.

 

중력적으로 뭉쳐진 천체에서 분출되어 나오는 제트에서 매듭을 볼 수 있는 것은 그다지 신기할 것도 없는 일이지만, 블랙홀로부터 수천광년 떨어진 지점에서 그 움직임을 가시광 파장으로 관측할 수 있는 것은 대단히 드문 경우이다.

 

블랙홀에서 뿐만 아니라 새로 생성되고 있는 별들로부터 분출되어 나오는 폭좁게 정렬된 가스의 흐름에서도 점들이 박혀있는 구조를 보여준다. 

이에 대한 한가지 가설은 물질이 중심 천체로 추락하면서 엄청나게 가열되고, 그 천체의 자전축을 따라 분출하게 된다고 설명하고 있다.

강력한 자기장은 이 물질을 폭좁은 제트로 묶는 역할을 한다.

만약 추락하는 물질의 흐름이 일정하지 않다면 여기서 분출되는 거품들은 일정한 호스와 같은 흐름이 아니라 대포알들이 엮인 것과 같은 형태로 분출되게 될 것이다.

그 기재가 무엇이든간에 빠르게 움직이는 매듭은 은하 사이 우주공간으로 헤쳐나오게 될 것이다.

이렇게 처음 생성된 길을 따라 뒤에 발생한 매듭은 별사이 매질에서 이미 길이 닦여 마찰이 낮기 때문에 앞서 발생한 매듭을 따라잡는 후면 충돌을 일으키게 된다.

 

향후 수십년간 지속될 충돌이 끝나면 이번 발견은 제트가 시작된 블랙홀로부터 수백~수천광년으로 측정된 초광속 움직임의 두번째 사례로 기록된다.

이는 제트가 시작지점으로부터 상당한 거리에 이르기까지 여전히 광속에 거의 육박하는 속도를 유지하고 있으며 자신의 은하와 맞먹는 크기를 가지고 있음을 의미하는 것이다. 

이러한 측정치들은 얼마나 많은 에너지들이 제트에 의해 은하와 그 너머까지 전달되는지에 대한 통찰을 제공해 줄수 있으며 우주의 나이가 들어감에 따라 은하들이 어떻게 진화하는지를 이해하는데 중요한 부분이 된다. 

 

메이어는 현재 가까운 우주에서 발견한, 유사하게 빠른 속도를 보이는 2개 이상의 제트에 대한 동영상을 만들고 있다.

그녀는 이러한 종류의 연구가 가능한 이유는 오랫동안 운용이 가능했던 허블우주빛통 덕분이었다고 강조했다.
허블우주빛통은 20년 동안 이 제트들을 관측해왔던 것이다. 

중심 블랙홀에 의해 에너지를 얻는 수많은 활성 은하들의 제트는 X선과 라디오 파장에서 관측되어 왔으며 가시광선에서 이것이 관측된 것은 얼마되지 않는다.

천문학자들은 왜 어떤 제트들은 가시광선으로 관측이 가능한데 상당히 많은 제트들은 가시광 관측이 불가능한지에 대해 아직 이해하지 못하고 있다.

메이어의 연구결과는 2015년 5월 28일 네이처 지에 개재되었다.

 

 

출처 : 허블사이트 2015년 5월 27일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/19/
 

참고 : 은하에서 관측되는 각종 제트에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12347975

참고 : NGC 3862를 비롯한 각종 은하에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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-2015-19

Hubble Video Shows Shock Collision Inside Black Hole Jet

When you're blasting though space at more than 98 percent of the speed of light, you may need driver's insurance. Astronomers have discovered for the first time a rear-end collision between two high-speed knots of ejected matter from a super-massive black hole. This discovery was made while piecing together a time-lapse movie of a plasma jet blasted from a supermassive black hole inside a galaxy located 260 million light-years from Earth.

The finding offers new insights into the behavior of "light-saber-like" jets that are so energized that they appear to zoom out of black holes at speeds several times the speed of light. This "superluminal" motion is an optical illusion due to the very fast real speed of the plasma, which is close to the universal maximum of the speed of light.

Such extragalactic jets are not well understood. They appear to transport energetic plasma in a confined beam from the central black hole of the host galaxy. The new analysis suggests that shocks produced by collisions within the jet further accelerate particles and brighten the regions of colliding material.

The video of the jet was assembled with two decades' worth of NASA Hubble Space Telescope images of the elliptical galaxy NGC 3862, the sixth brightest galaxy and one of only a few active galaxies with jets seen in visible light. The jet was discovered in optical light by Hubble in 1992. NGC 3862 is in a rich cluster of galaxies known as Abell 1367.

The jet from NGC 3862 has a string-of-pearls structure of glowing knots of material. Taking advantage of Hubble's sharp resolution and long-term optical stability, Eileen Meyer of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, matched archival Hubble images with a new, deep image taken in 2014 to better understand jet motions. Meyer was surprised to see a fast knot with an apparent speed of seven times the speed of light catch up with the end of a slower moving, but still superluminal, knot along the string.

The resulting "shock collision" caused the merging blobs to brighten significantly.

"Something like this has never been seen before in an extragalactic jet," said Meyer. As the knots continue merging they will brighten further in the coming decades. "This will allow us a very rare opportunity to see how the kinetic energy of the collision is dissipated into radiation."

It's not uncommon to see knots of material in jets ejected from gravitationally compact objects, but it is rare that motions have been observed with optical telescopes, and so far out from the black hole, thousands of light-years away. In addition to black holes, newly forming stars eject narrowly collimated streamers of gas that have a knotty structure. one theory is that material falling onto the central object is superheated and ejected along the object's spin axis. Powerful magnetic fields constrain the material into a narrow jet. If the flow of the infalling material is not smooth, blobs are ejected like a string of cannon balls rather than a steady hose-like flow.

Whatever the mechanism, the fast-moving knot will burrow its way out into intergalactic space. A knot launched later, behind the first one, may have less drag from the shoveled-out interstellar medium and catch up to the earlier knot, rear-ending it in a shock collision.

Beyond the collision, which will play out over the next few decades, this discovery marks only the second case of superluminal motion measured at hundreds to thousands of light-years from the black hole where the jet was launched. This indicates that the jets are still very, very close to the speed of light even on distances that start to rival the scale of the host galaxy. These measurements can give insights into how much energy jets carry out into their host galaxy and beyond, which is important for understanding how galaxies evolve as the universe ages.

Meyer is currently making a Hubble-image video of two more jets in the nearby universe, to look for similar fast motions. She notes that these kinds of studies are only possible because of the long operating lifetime of Hubble, which has now been looking at some of these jets for over 20 years.

Extragalactic jets have been detected at X-ray and radio wavelengths in many active galaxies powered by central black holes, but only a few have been seen in optical light. Astronomers do not yet understand why some jets are seen in visible light and others are not.

Meyer's results are being reported in the May 28 issue of the journal Nature.

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Felicia Chou
NASA Headquarters, Washington, D.C.
202-358-0257
felicia.chou@nasa.gov

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
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