퀘이사의 발생 원인이 은하충돌이라는 점을 확증하다.

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 1>

상단 사진

이 사진은 우주에서 별의 생성이 절정에 이르렀던 시기인 120억년 전에 존재했던 11개의 아주 밝은 퀘이사를 촬영한 허블우주망원경의 사진이다.

초거대질량의 블랙홀에 의해 에너지를 공급받는 퀘이사의 불빛이 너무나 밝다보니 망원경 내의 회절 현상에 의해  빛살 모양이 만들어지고 있다.
이러한 빛살효과는 일반적으로 가까운 거리에 위치하는  별에 의해 생겨나는 효과이다.
그 엄청난 밝기에도 불구하고 이 퀘이사들은 자신을 둘러싸고 있는 먼지가스에 의해 실제보다는 희미하게 보이고 있는 상태이다.
허블 WFC3의 적외선 관측 능력이 퀘이사를 둘러싸고 있는 물질들을 보다 상세하게 관측할 수 있게 해주고 있다.

 

하단 사진

사진에서 퀘이사의 불빛을 제거하면 은하간의 충돌이 그 모습을 드러낸다.

은하간의 충돌 합병이 은하 중심에 있는 초거대질량의 블랙홀에 연료를 공급해주면서 퀘이사를 만들어내는 원인으로 작용한다.
이 새로운 사진들은 퀘이사의 탄생을 야기시키는 충돌합병이 진행중인 은하에서 먼지가 쓸려나가는 과도기를 촬영한 것이며 충돌병합이 진행중인 은하에 자리잡은 가장 밝은 퀘이사들을 보여주었다.

 

천문학자들이 허블우주망원경의 적외선 관측을 이용하여 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사의 초기 형성에 대한 수수께끼를 풀어냈다.

 

허블의 고해상도 사진들은 은하의 혼란스러운 충돌 와중에 은하의 중심에 위치한 초거대질량의 블랙홀이 추락하는 물질들을 게걸스럽게 먹어치우며 퀘이사의 탄생을 촉발시키는 에너지원으로 작용한다는 사실을 밝혀냈다.
 
미들버리 대학 에이라트 글리크만(Eilat Glikman)의 설명은 다음과 같다.
"허블관측이 우리에게 분명하게 말해주는 것은 초기 우주에서 퀘이사 활동의 절정은 은하간의 충돌과 합병에 의해 촉발되었다는 사실입니다.
지금 우리는 빠르게 성장하며 모든게 혼란스럽기만 한 퀘이사의 10대 시절을 보고 있는 셈입니다."

 

1960년 발견되어 "별에 준하는 천체(quasi-stellar object, 준항성체)"라는 표현을 줄여 만든 이름인 퀘이사(quasar)로 불리는 이 천체들은 우리 태양계보다 작은 공간에서 1조개의 별들이 뿜어내는 빛과 맞먹는 밝은 빛을 뿜어내는 천체이다.

 

이 천체가 "매우 멀리 떨어져 있는 은하 중심의 초거대질량 블랙홀로부터 발생하는 에너지를 뱉어내는 천체"로서 결론나기까지는 20년 이상의 세월이 걸렸다.

오늘날까지 계속 풀리지 않고 있는 문제는 어떻게 이처럼 밝은 빛줄기가 생성될 수 있을까? 하는 것이다.
그런데 지금 허블의 관측 데이터가 이에 때한 최상의 해답을 제공해주고 있는 것이다.

 

글리크만의 소감은 다음과 같다.

"이번에 새로 촬영된 사진들은 충돌하는 블랙홀에 의한 추동 시나리오 상에서 변이과정을 겪고 있는 퀘이사의 모습을 담고 있습니다.

이 사진들은 정말 놀라울 정도로 아름답습니다."

 

스위스 연방기술연구소의 공동 연구자인 케빈 샤빈스키(Kevin Schawinski)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 지금까지 어떻게 은하가 블랙홀에 먹이를 제공하기 시작하는지를 이해하기 위해서 노력해왔습니다.
은하충돌은 이에 대한 선구적인 가설 중 하나죠.
이번 관측자료들은 우주에서 가장 밝은 퀘이사들이 실제로 충돌하는 은하에 자리잡고 있음을 보여주는 것입니다."

 

이미 이전부터 은하간의 충돌이 퀘이사의 원인이 될 수 있다는 것은 이론화되어 있었지만 퀘이사의 밝은 빛이 퀘이사를 수반한 은하의 빛을 압도하면서 이 은하가 충돌이 진행중인 은하인지를 알아내는 것을 어렵게 만들고 있었다.
 
글리크만은 이 은하들의 빛을 허블우주망원경의 고감도 근적외선 파장으로 관측해내기 위한 기발한 방법을 생각해냈다.

 

자연은 두꺼운 먼지를 뒤집어 쓰고 있는 퀘이사를 만들어낸다.

이 먼지들이 퀘이사의 가시광선을 흐리게 만들면서 그 아래에 있는 은하를 볼 수 있게 만드는 것이다.

충돌로부터 발생하는 중력조석작용은 충돌하는 은하의 원반상에서 아직 충돌을 겪지 않고 있는 가스가 보유하고 있는 각운동량의 대부분을 빼앗아오면서 퀘이사에 불을 밝히게 된다.
각운동량을 상실한 가스가 초거대질량의 블랙홀을 향해 곧바로 추락하게 되면서 에너지원이 되는 것이다.
블랙홀을 감싸고 있는 강착 지역에 너무나 많은 물질들이 일시에 몰려들게 되면서 반대방향으로 분출되어 나오는 물질이 발생하게 되고 이것이 우주 공간을 가로지르는 불꽃의 형태로 나타나게 된다.

글리크만은 먼저 지상에서 몇몇 적외선 및 전파 관측을 통해 먼지에 휘감겨 붉은색을 띠고 있는 퀘이사의 후보군을 찾았다.
진화의 초기단계에 있는 이 활성은하들은 전자기 스펙트럼 전 영역에서 밝은 빛을 뿜어낼 것으로 예견되었으며
따라서 먼지에 의해 쉽게 차단되는 다른 복사영역과 달리 라디오파와 근적외선 파장에서는 이들을 관측할 수 있었다.

 

이렇게 수집된 자료를 가지고 그녀는 허블의 WFC3를 이용하여 최상의 후보 천체를 보다 세밀하게 관측하였다.
글리크만은 우주에서 별의 생성이 절정을 맞고 있었던 시기인 120억년 전의 우주에서 먼지에 휩싸여 붉게 변한 11개의 퀘이사를 관측하였다.
허블 WFC3의 적외선 관측 능력은 생성기에 있는 이 퀘이사들을 상세하게 관측할 수 있게 해 주었다.

 

이번 연구논문은 6월 18일 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.
글리크만은 과학의 진보를 위한 연구법인(the Research Corporation for Science Advancement)을 통한 코트렐 컬리지 어워드(the Cottrell College Award)의 지원에 감사를 표했다.

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 2, 3> 퀘이사 F2M 1036의 모습과 이 퀘이사를 제거했을 때 나타나는 은하충돌의 모습

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 4, 5> 퀘이사 F2M 0738의 모습과 이 퀘이사를 제거했을 때 나타나는 은하충돌의 모습

 

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 6, 7> 퀘이사 F2M 1427의 모습과 이 퀘이사를 제거했을 때 나타나는 은하충돌의 모습

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 8, 9> 퀘이사 F2M 2222의 모습과 이 퀘이사를 제거했을 때 나타나는 은하충돌의 모습

 

 

Credit: NASA, ESA, and E. Glikman (Middlebury College, Vermont)

 

사진 10, 11> 퀘이사 UKFS 0030의 모습과 이 퀘이사를 제거했을 때 나타나는 은하충돌의 모습

 

 

출처 : 허블사이트 2015년 6월 18일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/20/full/

 

참고 : 각종 퀘이사에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다. 
           https://big-crunch.tistory.com/12346987

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-20

Hubble Sees the 'Teenage Years' of Quasars

Astronomers have used the Hubble Space Telescope's infrared vision to uncover the mysterious early formative years of quasars, the brightest objects in the universe. Hubble's sharp images unveil chaotic galaxy collisions that give birth to quasars by fueling their energy source: a supermassive central black hole devouring infalling material.

"The Hubble observations are definitely telling us that the peak of quasar activity in the early universe is driven by galaxies colliding and then merging together," said Eilat Glikman of Middlebury College in Vermont. "We are seeing the quasars in their teenage years, when they are growing quickly and all messed up."

Discovered in the 1960s, a quasar (contraction of "quasi-stellar object") pours out the light of as much as one trillion stars from a region of space smaller than our solar system. It took more than two decades of research to come to the conclusion that the gusher of energy comes from supermassive black holes inside the cores of very distant galaxies.

The lingering question has been: How do these brilliant beacons turn on? Now Hubble has provided the best solution. "The new images capture the transitional phase in the merger-driven black hole scenario," Glikman said. "The Hubble images are incredibly beautiful."

"We've been trying to understand why galaxies start feeding their central black holes, and galaxy collisions are one leading hypothesis. These observations show that the brightest quasars in the universe really do live in merging galaxies," said co-investigator Kevin Schawinski of the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich.

Though it had been previously theorized that the mergers of two galaxies could do the trick, the overwhelming glow of the quasar drowns out the light of the accompanying galaxy, making the signs of mergers difficult to see.

Glikman came up with a clever way to use Hubble's sensitivity at near-infrared wavelengths of light to see the host galaxies. Nature played a helping hand by producing some quasars that are heavily shrouded in dust. The dust dims the quasar's visible light so that the underlying galaxy can be seen.

The quasars light up because the gravitational forces of the merger rob much of the angular momentum that keeps gas suspended in the disks of the colliding galaxies. The gas then falls directly toward the supermassive black hole. The accretion zone around the black hole is so engorged with fuel it converts it into a gusher of radiation that blazes across the universe.

Glikman looked for candidate "dust-reddened quasars" in several ground-based infrared and radio sky surveys. Active galaxies in this early phase of evolution are predicted to glow brightly across the entire electromagnetic spectrum, making them detectable in radio and near-infrared wavelengths that are not as easily obscured as other radiation.

She then used Hubble's Wide Field Camera 3 to take a detailed look at the best candidate targets. Glikman looked at the dust-reddened light of 11 ultra-bright quasars that exist at the peak of the universe's star-formation era, which was 12 billion years ago. The infrared capability of Hubble's Wide Field Camera 3 was able to probe deep into the birth of this quasar era.

The paper will be published in the June 18 issue of the Astrophysical Journal.

Glikman acknowledges the support of the Cottrell College Award through the Research Corporation for Science Advancement.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4514
villard@stsci.edu

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

Eilat Glikman
Middlebury College, Middlebury, Vermont
802-443-5980
eglikman@middlebury.edu