CID-947 은하의 조숙한 블랙홀

 

Credit: Illustration: M. Helfenbein, Yale University / OPAC

그림1> 비정상적으로 무거운 블랙홀을 보유한 은하 CID-947의 상상화

 

과학자들이 자신이 몸담고 있는 은하보다 훨씬더 빠르게 성장하는 블랙홀을 발견했다.

이번 발견은 은하의 성장에 대한 이제까지의 가설에 의문을 불러일으키고 있다.

 

이 블랙홀은 허블우주망원경에 의해 최초로 발견되었으며 그 이후 슬로안 디지털 스카이 서베이와 ESA의 XMM-뉴턴 망원경 그리고 NASA의 찬드라 X선 망원경에 의해 그 존재가 확인되었다.

스위스연방 천문기술연구소(ETH Zurich's Institute for Astronomy)의 베니 트라크텐브로트(Benny Trakhtenbrot)와 천체물리학자들로 구성된 국제연구팀은 하와이의 10미터 켁 망원경을 이용하여 이 블랙홀에 대한 후속 연구를 진행하였으며 그 결과 놀라운 결과를 얻어냈다.

 

새로운 장비를 이용하여 수집된 데이터를 통해 CID-947 이라는 이름의 멀리 떨어진 보통 은하에 담겨 있는 거대 블랙홀의 존재가 드러났다.

이 은하로부터 출발한 빛이 우리에게 도착하기까지 엄청나게 먼 거리를 날아왔기 때문에 과학자들이 보게 된 이 빛은 우리 우주의 나이가 채 20억년도 되지 않은 때, 즉 현재 우주의 나이 대비 14%정도 밖에 되지 않은 때의 모습을 담고 있다. 

하와이에서 수집된 데이터의 분석결과 CID-947 은하에 존재하는 블랙홀의 질량은 태양 질량의 70억배에 육박했는데 이는 지금까지 발견된 블랙홀로서는 가장 무거운 블랙홀에 해당하는 측정치였다.

그런데 과학자들이 놀란 진짜 이유는 이처럼 무거운 블랙홀의 질량이 아니라 오히려 이 블랙홀을 품고 있는 은하 CID-947 의 질량 때문이었다.

 

마르첼라 카롤로(Marcella Carollo)교수의 외계은하 천체물리학 연구 그룹에 함께 참여하고 있는 박사후과정 연구원 트라크텐브로트의 설명은 다음과 같다.
"이 은하의 질량 측정치는 그저 보통 은하의 질량과 동일한 수준이었습니다.
따라서 우리는 보통 크기의 은하에서 어마어마한 크기의 블랙홀을 발견한 셈이 되었죠."

 

이번 연구 결과는 너무나 놀라운 것이어서 하바드-스미스소니언 천체물리센터의 서혜원(Hyewon Suh) 교수를 비롯한 두 명의 천문학자들에 의해 독립적인 검증을 받았는데 검증에서 도출된 결과는 동일했다.

 

연구팀의 연구 결과는 사이언스 저널을 통해 발표되었다.  

 

초기 우주는 뭔가 다른 점이 있었던 것일까?

 

미리내를 비롯한 대부분의 은하는 그 중심에 태양 질량의 수백만배에서 수십억배에 달하는 블랙홀을 가지고 있다.

 

이번 논문의 공동저자인 ETH의 케빈 샤빈스키(Kevin Schawinski) 교수의 설명은 다음과 같다.
"블랙홀은 빛조차도 빠져나올 수 없는 매우 강력한 중력을 가지고 있는 천체입니다.
아인슈타인의 상대성 이론은 이 블랙홀이 어떻게 시공간을 구부리는지를 기술하고 있죠."
 
블랙홀의 존재는 강력한 중력에 의해 엄청난 속도로 가속된 물질로부터 뿜어져나오는 특정 파장의 고에너지 복사를 통해 증명할 수 있다.
 

지금까지의 연구 결과는 은하가 보유한 별들의 숫자가 많을수록 블랙홀도 더 크다는 점을 알려주고 있다.

트라크텐브로트는 최근 우주의 상황을 대체로 반영하고 있는 국부 우주에서는 이 점은 사실로 입증된 상태라고 말했다.

 

또다른 증거들과 함께 이러한 연관성으로 인해 과학자들은 블랙홀의 성장과 별의 생성이 함께 진행되고 있다고 가정해왔다.

트라크텐브로트는 별생성의 주재료가 되는 차가운 가스와 은하 중심에서 블랙홀에 먹히게 되는 가스가 동일하기 때문에 이러한 가정이야말로 매우 합리적인 가정이라고 말했다.

 

게다가 이전의 연구들은 블랙홀이 성장하는 동안 뿜어져나오는 복사가 이 가스를 가열시키면서 별의 생성을 조절하거나 심지어는 별의 생성을 멈추게 만든다고 설명하고 있다.

그런데 최근의 연구 결과는 이러한 과정이 최소한 초기 우주에서는 다르게 작용했다고 주장하고 있다.

 

트라크텐브로트와 그의 동료들이 관측한 이 블랙홀의 질량은 자신이 담긴 은하 전체 질량의 10%에 육박하는 수준이었다.

오늘날 국부 우주에서 블랙홀이 은하 전체에 대해 차지하는 질량비는 0.2%에서 0.5% 수준이다.

 

이것이 의미하는 것은 CID-947 은하의 블랙홀이 은하보다 훨씬 높은 효율로 성장했으며 은하와 블랙홀이 함께 성장한다고 예견한 모델을 정면으로 부정하는 결과이다. 

 

또한 찬드라 우주망원경이 수집한 데이터를 통해 과학자들은 이 블랙홀의 성장의 막바지에 다다랐다는 결론을 내렸다.

그런데 또 다른 데이터들은  이 은하의 전역에서 여전히 별의 생성이 지속되고 있음을 보여주었다.

지금까지의 생각과는 달리 블랙홀에서부터 뿜어져나오는 에너지와 가스가 별의 생성을 멈추게 만들지 않고 있다는 점을 보여주고 있는 것이다.

 

이 은하는 향후에도 성장을 계속해 나가겠지만 다른 별들에 대한 블랙홀의 질량은 여전히 비정상적으로 큰 상태로 남아있을 것이다.

따라서 과학자들은 CID-947과 같은 은하는 페르세우스자리 방향으로 우리 은하에서 2억 2천만 광년 떨어진 NGC 1277과 같은, 오늘날의 국부 우주에서 관측되는 가장 극단적인 질량을 가진 은하의 전조일 것으로 생각하고 있다.

 

연구팀은 ALMA를 이용하여 블랙홀과 CID-947 은하와의 연관관계에 대한 연구를 지속하기를 희망하고 있다.

이 블랙홀은 찬드라 우주진화 관측의 일환으로 예일대학의 프란체스카 시바노(Francesca Civano)에 의해 발표된 2011년 논문에서 선택된 것이다.

 

이번 논문에 참여한 저자들은 다음과 같다.
예일대학 : Benny Trakhtenbrot, Megan Urry
독일 막스크랑크 천체물리 연구소 : Francesca Civano, David Rosario.
하바드 스미스소니언 천체물리센터 : Martin Elvis
이탈리아 국립 천체물리 연구소 : Kevin Schawinski, Hyewon Suh, Angela Bongiorno
옥스포드 대학 : Brooke D. Simmon

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Press Release 2015년 7월 9일
         http://chandra.harvard.edu/press/15_releases/press_070915.html
        

참고 : CID-947을 비롯한 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 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 

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

 

원문>

A Precocious Black Hole

For Release: July 9, 2015

ETH Zurich and CXC

Researchers have discovered a black hole that grew much more quickly than its host galaxy. The discovery calls into question previous assumptions on the development of galaxies.

The black hole was originally discovered using NASA's Hubble Space Telescope, and was then detected in the Sloan Digital Sky Survey and by ESA's XMM-Newton and NASA's Chandra X-ray Observatory.

Benny Trakhtenbrot, from ETH Zurich's Institute for Astronomy, and an international team of astrophysicists, performed a follow-up observation of this black hole using the 10 meter Keck telescope in Hawaii and were surprised by the results. The data, collected with a new instrument, revealed a giant black hole in an otherwise normal, distant galaxy, called CID-947. Because its light had to travel a very long distance, the scientists were observing it at a period when the universe was less than two billion years old, just 14 percent of its current age (almost 14 billion years have passed since the Big Bang).

An analysis of the data collected in Hawaii revealed that the black hole in CID-947, with nearly 7 billion solar masses, is among the most massive black holes discovered up to now. What surprised researchers in particular was not the black hole's record mass, but rather the galaxy's mass. "The measurements correspond to the mass of a typical galaxy," says Trakhtenbrot, a postdoctoral fellow working within the Extragalactic Astrophysics research group of Professor Marcella Carollo. "We therefore have a gigantic black hole within a normal size galaxy." The result was so surprising that two of the astronomers, including Hyewon Suh from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge, MA, had to verify the galaxy mass independently. Both came to the same conclusion. The team reports its findings in the current issue of the scientific journal Science.

Was anything different in the early Universe?

Most galaxies, including our Milky Way, have a black hole at their center that holds millions to billions of solar masses. "Black holes are objects that possess such a strong gravitational force that nothing – not even light – can escape. Einstein's theory of relativity describes how they bend space-time itself," explains ETH professor Kevin Schawinski, co-author of the new study. The existence of black holes can be proven because matter is greatly accelerated by the gravitational force and thus emits particularly high-energy radiation.

Until now, observations have indicated that the greater the number of stars present in the host galaxy, the bigger the black hole. "This is true for the local universe, which merely reflects the situation in the Universe's recent past," says Trakhtenbrot. This link, along with other evidence, led the scientists to assume that the growth of black holes and the formation of stars go hand-in-hand. This is quite reasonable, if a common reservoir of cold gas was responsible for the formation of the stars and the 'feeding' of the black hole at the galaxy's center, says Trakhtenbrot. Furthermore, previous studies suggested that the radiation emitted during the growth of the black hole controlled, or even stopped the creation of stars, as the released energy heated up the gas. The latest results, however, suggest that these processes work differently, at least in the early universe.

Star formation continues

The distant young black hole observed by Trakhtenbrot and his colleagues weighs about 10% of its host galaxy's mass. In today’s local universe, black holes typically reach a mass of 0.2% to 0.5% of their host galaxy's mass. "That means this black hole grew much more efficiently than its galaxy – contradicting the models that predicted a hand-in-hand development," explains the ETH researcher. From the available Chandra data for this source, the researchers also concluded that the black hole had reached the end of its growth. However, other data suggests stars were still forming throughout the host galaxy. Contrary to previous assumptions, the energy and gas flow, propelled by the black hole, did not stop the creation of stars.

The galaxy could continue to grow in the future, but the relationship between the mass of the black hole and that of the stars would remain unusually large. The researchers believe that CID-947 could thus be a precursor of the most extreme, massive systems that we observe in today’s local universe, such as the galaxy NGC 1277 in the constellation of Perseus, some 220 million light years away from our Milky Way. They hope to gain further insight into the links between the black hole and the host galaxy, through observations with the Alma radio telescope in Chile.

The black hole was selected from a 2011 paper published by Francesca Civano, from Yale University in New Haven, CT and CfA, as part of the Chandra Cosmic Evolution Survey. The full list of authors of the Science paper are Benny Trakhtenbrot ; Megan Urry from Yale University in New Haven, CT; Francesca Civano; David Rosario from the Max Planck Institute for Astrophysics in Garching, Germany; Martin Elvis from CfA; Kevin Schawinski; Hyewon Suh; Angela Bongiorno from the National Institute for Astrophysics in Rome, Italy and Brooke D. Simmons from Oxford University in the UK.

NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for the agency's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.

 

Media contacts:
Megan Watzke
Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.
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