은하의 충돌과 상대론적 제트를 지닌 초거대질량의 블랙홀간의 관계가 확정되다.

 

 

Credit:ESA/Hubble, L. Calcada (ESO)
그림1> 이 상상화는 초거대량의 블랙홀로부터 뿜어져나오는 고속의 제트가 어떻게 보이는지를 묘사하고 있다.

이 플라즈마 폭풍은 초거대질량의 블랙홀이 자신을 감싸고 있는 물질 원반을 먹어치울 때 발생하는 에너지가 분출되면서 만들어진 것이다. 
이 제트는 라디오파에서 가장 강력한 복사를 뿜어내고 있다.

 

 
라디오파에서 침묵을 깨는 충돌하는 은하 

허블우주빛통을 이용한 대규모 관측결과 은하의 충돌과 상대론적 제트를 지닌 초거대질량의 블랙홀간의 관계를 확정하다. 

 

 

과학자들이 은하 제트에 대한 연구로는 가장 광범위하게 수행된 관측을 통해 엄청난 속도의 라디오파 복사 제트를 만들어내는 초거대질량의 블랙홀과 이 블랙홀을 품고 있는 은하들의 충돌 합병의 역사간의 명백한 연관성을 찾아냈다.
이러한 제트를 가지고 있는 은하들 중 대부분은 다른 은하와 충돌이 진행중이거나 최근 충돌병합이 끝난 은하들이라는 것이다.

블랙홀간의 충돌 결과로 발생한 제트에 중요성을 부각하고 있는 이번 연구 결과는 아스트로피지컬 저널에 개재될 예정이다.

 

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 허블우주빛통을 이용하여 충돌병합이 진행중인 은하들과 그 중심에 존재하는 초거대질량 블랙홀의 행동양상간의 관계를 조사하는 대규모 조사를 수행하였다.
연구팀은 활성은하핵(active galactic nuclei, AGNs)으로 알려진 극도로 밝은 빛을 내는 중심을 가진 많은 양의 은하를 관측 대상으로 선정하였다.

 

은하에 극도로 밝은 빛을 뿜는 중심이 있다는 것은 초거대질량 블랙홀 주위를 엄청난 양의 물질들이 둘러싼 채로 가열되고 있거나 블랙홀에 빨려들고 있는 결과로서 생각된다.

 

한편 대부분의 은하들은 초거대질량의 블랙홀을 품고 있을 것으로 생각되는데 이들 중 일부만이 중심에서 밝은 빛을 뿜어내며 이중에서도 또 적은 수가 한 걸음 더 나아가 '상대론적 제트(relativistic jets)' 라고 알려져 있는 제트를 형성한다[1].

 

플라즈마로 이루어진 두 개의 초고속 제트는 거의 광속에 가까운 속도로 움직이며 블랙홀을 휘감고 있는 물질 원반에서 서로 정반대 방향으로 분출되어 
수천광년의 길이까지 우주공간으로 뻗어나간다.
이 제트 내에 있는 뜨거운 물질들은 동시에 라디오파를 만들어내는 원인이 되기도 한다.

 

우주망원경과학연구소의 마르코 카베르지(Marco Chiaberge)와 그의 동료들은 이 제트들이 은하 충돌합병의 결과로서 확정되기를 희망했다[2].

연구팀은 최근에 충돌 합병이 완료되었거나 충돌합병이 진행중인 은하로서 가시적인 흔적을 보이는 은하들을 5개의 범주로 나누어 조사하였다.
이 중 두 개 범주는 제트를 가지고 있는 은하이고, 두 개의 범주는 제트는 없지만 극도로 밝은 핵을 가진 은하들이며 나머지 하나의 범주는 일반적인 비활성은하였다[3].

 

 

 

Credit:NASA, ESA, M. Chiaberge (STScI)

사진 1> 허블우주망원경이 찰영한 이 사진은 은하간의 충돌병합과 초거대질량의 블랙홀로부터 분출되는 초고속의 제트간의 연관성을 확정한 연구에서 관측의 대상이 되었던 은하들의 모습을 담고 있다.
이 은하들은 모두 강력한 라디오파 복사를 가지고 있었는데, 이는 이 은하들이 거대한 플라즈마의 폭풍을 만들어내는 초거대질량의 블랙홀을 가지고 있음을 의미하는 것이다.
왼쪽 상단 및 하단의 은하는 각각 3C 297과 3C 454.1이며 오른쪽 은하는 3C 356이다.

 

마르코의 설명은 다음과 같다.
" 상대론적 제트를 가지고 있는 은하들은 라디오파에서 상당한 양의 복사를 뿜어내고 있습니다.
허블 WFC3을 이용함으로써 막대한 양의 라디오파 복사를 뿜어내는 은하들 중 상당수를 찾아냈습니다.

이는 이 은하에 제트가 존재함을 암시하는 것이며 이들이 충돌 병합이 진행중인 은하와 연관이 있음을 알 수 있는 단서입니다.
즉 이들은 단순히 제트를 가지고 있는 은하들일 뿐 아니라 충돌병합의 증거를 보여주는 있는 것입니다."[4]
 
 
이번 논문의 공동저자인 이탈리아 볼로냐 천문대의 로베르또 길리(Roberto Gilli)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 대부분의 은하충돌 사건이 강력한 라디오 복사를 동반한 활성은하핵의 생성을 야기하는 것은 아니라는 것을 알게되었습니다.
우리가 관측했던 은하들 중 대략 40% 정도는 충돌병합은 있었지만 장대한 라디오 복사와 이에 대응되는 제트의 분출을 만들어내는데는 실패한 은하들이었습니다."

 

비록 은하간의 충돌이 대부분에 있어 상대론적 제트를 수반하는 초거대질량의 블랙홀을 가진 은하가 되는데 필수적이라는 것은 확실하지만 연구팀은 이러한 목적 달성을 위해서는 추가 조건이 필요하다고 추측하고 있다.

 

연구팀은 특정 은하가 또 다른 은하와 충돌하면서 제트를 수반한 초거대질량의 블랙홀을 만들어내며 그 때, 중심 블랙홀은 - 유사한 질량을 가진 또다른 블랙홀과의 충돌의 결과일 것으로 보이는 - 가속 회전을 하게 되고 이로인해 추가로 발생한 에너지가 블랙홀의 회전을 따라 분출되면서 제트에 에너지를 공급하는 것으로 추측하고 있다.

 

논문의 공동저자인 콜린 노만(Colin Norman)의 설명은 다음과 같다.
"중심 블랙홀에 영향을 미치는 충돌로서 두 가지를 고려할 수 있습니다.
첫번째는 은하 중심을 향해 돌진하는 가스의 증가를 고려할 수 있습니다. 이로인해 블랙홀과 블랙홀 주변 물질들의 질량이 증가하게 되죠.
그러나 이 과정은 충돌을 겪고 있는 모든 은하의 블랙홀에 동일하게 가정되어야 합니다.
그런데 충돌하는 모든 은하들이 제트를 거느린 블랙홀을 갖는 것은 아니기 때문에 어떻게 제트가 발생되는지를 설명하는데 충분하지는 않습니다.
또다른 가능성은 두 무거운 은하간의 충돌이 유사한 질량을 가진 두 개 블랙홀 간의 충돌병합도 야기시킨다는 것입니다.
특정한 유형에 해당하는 두 개 블랙홀 간의 충돌은 회전하는 하나의 거대질량의 블랙홀을 만들 수 있고, 이로부터 제트의 생성을 설명할 수 있게 됩니다."

 

이처럼 복잡하고 강력한 과정에 대해 보다 지속적으로 연구하고 이해의 폭을 넓혀가기 위해서는 허블우주빛통과 ESO의 ALMA를 이용하여 보다 더 많은 관측 대상을 확보하고 관측하는 것이 필요하다.

 

 

각주

[1] '상대론적 제트(relativistic jets)'는 광속에 육박하는 속도로 분출되는 제트를 말하며 가장 빠른속도를 가진 천체 중 하나이다.

 

[2] 이번 관측에서 이뤄진 새로운 관측자료들은 3CR-HST 팀과의 협력하에 이뤄졌다.
천문학자들로 이뤄진 이 국제 연구팀은 현재 마르코 카베르지가 이끌고 있으며 허블우주빛통을 이용하여 3CR 목록 상의 라디오파를 복사하는 은하들과  퀘이사들에 대한 일련의 연구를 선도하고 있다.

 

[3] 연구팀은 그들의 관측 데이터를 허블우주망원경의 축적 데이터와 비교하였다. 
이들은 상당히 멀리 떨어져 있는 12개의 라디오파 복사 은하들을 직접적으로 관측하였으며 그 결과를 다른 관측 프로그램에서 관측한 여러 개의 은하들로부터 도출된 데이터와 비교하였다.
   
[4] 다른 연구들에서도 은하간의 충돌병합과 높은 수준의 라디오파 복사간에 강력한 상관관계가 있음을 보여주었다.
이는 은하의 중심에 숨어있는 상대론적 제트의 존재를 암시하는 것이다. 
그러나 이번 관측은 훨씬 더 광범위하게 수행되었고, 그 결과는 매우 명쾌하게 나타났다.
이는 강력한 라디오파를 쏟아내는 활성은하핵을 가지고 있으며 상대론적 제트를 가진 은하들이야말로 확실하게 은하간의 충돌병합의 결과로 만들어진 은하라고 말할 수 있게 되었음을 의미한다.

 

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 5월 28일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1511/

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

참고 : 3C 297과 3C 454.1, 3C 356을 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>

heic1511 — Science Release

Merging galaxies break radio silence

Large Hubble survey confirms link between mergers and supermassive black holes with relativistic jets

28 May 2015

 

In the most extensive survey of its kind ever conducted, a team of scientists have found an unambiguous link between the presence of supermassive black holes that power high-speed, radio-signal-emitting jets and the merger history of their host galaxies. Almost all of the galaxies hosting these jets were found to be merging with another galaxy, or to have done so recently. The results lend significant weight to the case for jets being the result of merging black holes and will be presented in the Astrophysical Journal.

A team of astronomers using the NASA/ESA Hubble Space Telescope’s Wide Field Camera 3 (WFC3) have conducted a large survey to investigate the relationship between galaxies that have undergone mergers and the activity of the supermassive black holes at their cores.

The team studied a large selection of galaxies with extremely luminous centres — known as active galactic nuclei (AGNs) — thought to be the result of large quantities of heated matter circling around and being consumed by a supermassive black hole. Whilst most galaxies are thought to host a supermassive black hole, only a small percentage of them are this luminous and fewer still go one step further and form what are known as relativistic jets [1]. The two high-speed jets of plasma move almost with the speed of light and stream out in opposite directions at right angles to the disc of matter surrounding the black hole, extending thousands of light-years into space. The hot material within the jets is also the origin of radio waves.

It is these jets that Marco Chiaberge from the Space Telescope Science Institute, USA (also affiliated with Johns Hopkins University, USA and INAF-IRA, Italy) and his team hoped to confirm were the result of galactic mergers [2].

The team inspected five categories of galaxies for visible signs of recent or ongoing mergers — two types of galaxies with jets, two types of galaxies that had luminous cores but no jets, and a set of regular inactive galaxies [3].

“The galaxies that host these relativistic jets give out large amounts of radiation at radio wavelengths,” explains Marco. “By using Hubble’s WFC3 camera we found that almost all of the galaxies with large amounts of radio emission, implying the presence of jets, were associated with mergers. However, it was not only the galaxies containing jets that showed evidence of mergers!” [4].

“We found that most merger events in themselves do not actually result in the creation of AGNs with powerful radio emission,” added co-author Roberto Gilli from Osservatorio Astronomico di Bologna, Italy. “About 40% of the other galaxies we looked at had also experienced a merger and yet had failed to produce the spectacular radio emissions and jets of their counterparts.”

Although it is now clear that a galactic merger is almost certainly necessary for a galaxy to host a supermassive black hole with relativistic jets, the team deduce that there must be additional conditions which need to be met. They speculate that the collision of one galaxy with another produces a supermassive black hole with jets when the central black hole is spinning faster — possibly as a result of meeting another black hole of a similar mass — as the excess energy extracted from the black hole’s rotation would power the jets.

“There are two ways in which mergers are likely to affect the central black hole. The first would be an increase in the amount of gas being driven towards the galaxy’s centre, adding mass to both the black hole and the disc of matter around it,” explains Colin Norman, co-author of the paper. “But this process should affect black holes in all merging galaxies, and yet not all merging galaxies with black holes end up with jets, so it is not enough to explain how these jets come about. The other possibility is that a merger between two massive galaxies causes two black holes of a similar mass to also merge. It could be that a particular breed of merger between two black holes produces a single spinning supermassive black hole, accounting for the production of jets.”

Future observations using both Hubble and the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) are needed to expand the survey set even further and continue to shed light on these complex and powerful processes.

Notes

[1] Relativistic jets travel at close to the speed of light, making them one of the fastest astronomical objects known.

[2] The new observations used in this research were taken in collaboration with the 3CR-HST team. This international team of astronomers is currently led by Marco Chiaberge and has conducted a series of surveys of radio galaxies and quasars from the 3CR catalogue using the Hubble Space Telescope.

[3] The team compared their observations with the swathes of archival data from Hubble. They directly surveyed twelve very distant radio galaxies and compared the results with data from a large number of galaxies observed during other observing programmes.

[4] Other studies had shown a strong relationship between the merger history of a galaxy and the high levels of radiation at radio wavelengths that suggests the presence of relativistic jets lurking at the galaxy’s centre. However, this survey is much more extensive, and the results very clear, meaning it can now be said with almost certainty that radio-loud AGNs, that is, galaxies with relativistic jets, are the result of galactic mergers.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The international team of astronomers in this study consists of Marco Chiaberge (STScI, USA; Johns Hopkins University, USA; and INAF-IRA, Italy), Roberto Gilli (INAF Osservatorio Astronomico di Bologna, Italy), Jennifer Lotz (STScI, USA) and Colin Norman (Johns Hopkins University, USA; and STScI, USA)

More information

Image credit: NASA, ESA, M. Chiaberge (STScI)

Links

• Images of Hubble
• Link to science paper

Contacts

Marco Chiaberge
Space Telescope Science Institute, USA
Johns Hopkins University, USA, INAF-IRA, Italy
Tel: +1 410 338 4980
Email: marcoc@stsci.edu

Roberto Gilli
INAF
Osservatorio Astronomico di Bologna, Italy
Tel: +39 051 2095 719
Cell: +39 347 4139847
Email: roberto.gilli@oabo.inaf.it

Mathias Jäger
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Cell: +49 176 62397500
Email: mjaeger@partner.eso.org