NGC 1097 : ALMA가 머나먼 은하의 블랙홀 질량을 측정하다.

 

Credit: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ), K. onishi; NASA/ESA Hubble Space Telescope, E. Sturdivant; NRAO/AUI/NSF

 

사진 1> 이 사진은 막대나선은하 NGC 1097을 여러 파장에서 촬영하여 합성한 것이다.

ALMA를 이용하여 두 개 분자의 움직임을 추적함으로써 이 은하의 중심에 자리잡고 있는 블랙홀의 질량이 태양 질량의 1억 4천만 배임을 알 수 있었다.

허블우주망원경이 촬영한 가시광선 사진 위에 ALMA가 탐지한 포르밀리움(HCO+)이 빨간색으로, 시안화수소(HCN)가 녹황색으로 표시되어 있다.

 

모든 거대 은하의 중심에는 초거대질량의 블랙홀이 숨겨져 있다.

그리고 이 블랙홀들의 질량은 태양 질량의 수백만배에서 수십억배까지 달한다.

그러나 블랙홀의 질량이 얼마나 무거운지를 결정하는 것은 특히 나선은하나 나선은하의 가까운 사촌격인 막대나선은에 있어서는 힘이 많이 빠지는 일이다.

 

천문학자들이 ALMA를 이용하여 새로운 개념증명으로서 시도한 관측을 통해 NGC 1097의 중심에 자리잡고 있는 초거대질량 블랙홀의 질량을 측정하였다.
이 은하는 화로자리 방향으로 4500만 광년 거리에 위치하고 있는 막대나선은하이다.

 

과학자들은 이 은하가 품고 있는 블랙홀의 질량을 태양 질량의 1억 4천만 배라고 결론지였다.

그에 비하면 미리내 중심의 블랙홀은 훨씬 가벼운 블랙홀로서 그 질량은 태양 질량의 수백만 배 수준이다.

 

이러한 결과에 도달하기 위해 일본 총합연구대학원대학의 쿄코 오니시(Kyoko onishi)가 이끄는 연구팀은 은하 중심지역에서 시안화수소(HCN)와 포르밀리움(HCO+)이라는 두 개 분자의 분포와 움직임을 정밀하게 측정하였다.

 

 

연구팀은 그 측정자료를 서로 다른 질량을 갖는 초거대질량의 블랙홀에 대응되는 다양한 수학적 모델과 비교하였다.

그결과 블랙홀의 질량이 태양 질량의 1억 4천만배에 해당할 때 딱 들어맞는 결과가 도출되었다.

 

이번 연구 결과는 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

유사한 기술이 예전에 CARMA 망원경에 의해 수행되었는데, 당시에는 NGC 4526 렌즈상 은하의 중심부에 존재하는 블랙홀의 질량을 측정하였다.

 

오니시의 설명은 다음과 같다.
"NGC 4526은 렌즈상 은하였음에 반해 NGC 1097은 막대 나선은하라는 차이점이 있습니다.
최근 관측 결과는 초거대질량의 블랙홀이 갖는 질량과 그 블랙홀이 몸담고 있는 은하의 다양한 속성간의 관계가 은하의 유형에 근거하고 있음을 말해주고 있습니다.  

이는 다양한 유형의 은하에 존재하는 블랙홀의 질량을 정확하게 측정하는데 있어 매우 중요한 사실입니다." 
 

오늘날 천문학자들은 블랙홀의 질량을 측정하는데 여러가지 방법을 사용하는데, 이 기술들은 일반적으로 관측대상 은하의 유형에 의존하고 있다.

 

미리내에서 강력한 가시광선 및 적외선 망원경은 미리내 중심부를 따라 돌고 있는 별들의 움직임을 추적하고 있다.

그러나 이 방법은 멀리 떨어진 은하에게는 맞지 않는 방법이다 왜냐하면 거리가 멀어질수록 극도로 높은 각분해능이 필요하기 때문이다.

 

따라서 천문학자들은 별 대신에 메가메이저(megamasers)의 움직임을 쫓고 있다. (메가메이저란 몇몇 은하 중심에서 발견되는 강력한 라디오파를 복사하는 천체를 말한다.)
그러나 이들은 너무나 희귀하며 미리내의 경우에는 메가메이저가 일체 존재하지 않는다.

 

또다른 기술은 은하 팽대부에서 이온화된 가스의 움직임을 추적하는 방법이다.
그러나 이 방법은 타원은하의 연구에 최적화된 기술이며 나선은하에서 블랙홀을 측정하는데 있어서는 몇 안되는 옵션만이 남게 된다.

 

그러나 이번 ALMA의 새로운 연구 결과는 이전에는 사용되지 않는 방법을 보여주었으며 나선은하 및 막대나선은하의 연구에서 새로운 가능성을 보여주었다.

 

이번 논문의 공동저자인 국립전파천문대 카틱 쉬스(Kartik Sheth)의 설명은 다음과 같다.
"나선은하나 막대나선은하에서 ALMA를 이용하여 블랙홀의 질량을 측정한 것은 이번이 처음입니다.
ALMA를 이용하여 정교한 세부 관측을 진행할 때, 이들이 얼마나 시연 모델에 잘 맞아 떨어지는지 정말 깜짝 놀랐습니다. 
동일한 기술을 다른 유사한 은하들에 적용할 수 있다는 것과  우리가 믿을 수 없을 정도로 무거운 이 천체들이 자신이 몸담고 있는 은하에 미치는 영향을 더 잘 이해할 수 있다는 것은 생각할수록 멋진 일이라 아니할 수 없습니다."
 

오늘날의 이론들은 은하와 그 은하가 품고 있는 초거대질량의 블랙홀이 함께 진화한다는 사실 -- 각 천체는 상대방의 성장에 영향을 미치고 있다. -- 을 알려주고 있으며 이번에 새로 시도된 질량 측정 기술은 은하와 블랙홀간의 관계를 규명하는데 있어서 서광을 비춰주는 기술이 될 수 있다.

 

ALMA를 이용한 추가 관측을 통해 이 기술은 좀더 정밀하게 다듬어질 것이고  또다른 나선은하들에 적용될 수 있도록 응용력 역시 확장될 것이다.

 

Credit:J. Hellerman, B. Kent (NRAO/AUI/NSF); ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); K. onishi; NASA/ESA Hubble Space Telescope, E. Sturdivant

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 6월 18일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/alma-weigh-black-hole

 

참고 : NGC 1097을 비롯한 각종 은하에 대한 포스팅은 아래 링크를 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 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

 

원문>

June 18, 2015; 5 a.m. EDT

ALMA Weighs Supermassive Black Hole at Center of Distant Spiral Galaxy

Supermassive black holes lurk at the center of every large galaxy. These cosmic behemoths can be millions to billions of times more massive than the Sun. Determining just how massive, however, has been daunting, especially for spiral galaxies and their closely related cousins barred spirals.

In a new proof-of-concept observation, astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have measured the mass of the supermassive black hole at the center of NGC 1097 -- a barred spiral galaxy located approximately 45 million light-years away in the direction of the constellation Fornax. The researchers determined that this galaxy harbors a black hole 140 million times more massive than our Sun. In comparison, the black hole at the center of the Milky Way is a lightweight, with a mass of just a few million times that of our Sun.

To achieve this result, the research team, led by Kyoko onishi at SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies) in Japan, precisely measured the distribution and motion of two molecules -- hydrogen cyanide (HCN) and formylium (HCO+) -- near the central region of the galaxy. The researchers then compared the ALMA observations to various mathematical models, each corresponding to a different mass of the supermassive black hole. The “best fit” for these observations corresponded to a black hole weighing in at about 140 million solar masses. The results are published in the Astrophysical Journal.

A similar technique was used previously with the CARMA telescope to measure the mass of the black hole at the center of the lenticular galaxy NGC 4526. 

“While NGC 4526 is a lenticular galaxy, NGC 1097 is a barred spiral galaxy. Recent observation results indicate the relationship between supermassive black hole mass and host galaxy properties varies depending on the type of galaxies, which makes it more important to derive accurate supermassive black hole masses in various types of galaxies,” onishi noted.

Currently, astronomers use several methods to derive the mass of a supermassive black hole; the technique used typically depends on the type of galaxy being observed.

Within the Milky Way, powerful optical/infrared telescopes track the motion of stars as they zip around the core of our galaxy. This method, however, is not suitable for distant galaxies because of the extremely high angular resolution it requires.

In place of stars, astronomers also track the motion of megamasers (astrophysical objects that emit intense radio waves and are found near the center of some galaxies), but they are rare; the Milky Way, for example, has none. Another technique is to track the motion of ionized gas in a galaxy’s central bulge, but this technique is best suited to the study of elliptical galaxies, leaving few options when it comes to measuring the mass of supermassive black holes in spiral galaxies.

The new ALMA results, however, demonstrate a previously untapped method and open up new possibilities for the study of spiral and barred spiral galaxies.

“This is the first use of ALMA to make such a measurement for a spiral or barred spiral galaxy,” said Kartik Sheth, an astronomer with the National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Va., and co-author on the paper. “When you look at the exquisitely detailed observations from ALMA, it’s startling how well they fit in with these well tested models. It’s exciting to think that we can now apply this same technique to other similar galaxies and better understand how these unbelievably massive objects affect their host galaxies.”

Since current theories show that galaxies and their supermassive black holes evolve together -- each affecting the growth of the other -- this new measurement technique could shed light on the relationship between galaxies and their resident supermassive black holes.

Future observations with ALMA will continue to refine this technique and expand its applications to other spiral-type galaxies.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

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.

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Contact: Charles Blue
NRAO Public Information Officer
Charlottesville, Virginia
Tel: (434) 296-0314
Email: cblue@nrao.edu

Paper / Research Team" 

This observation result was published onishi et al. “A Measurement of the Black-Hole Mass in NGC 1097 using ALMA” in the Astrophysical Journal, issued in June 2015.

This research was conducted by:
• Kyoko onishi (SOKENDAI)
• Satoru Iguchi (National Astronomical Observatory of Japan/ SOKENDAI)
• Kartik Sheth (U.S. National Radio Astronomy Observatory)
• Kotaro Kohno (The University of Tokyo)

This research is supported by JSPS Grants-in-Aid for Scientific Research (No. 26*368).