은하 스스로에 의해 통제되고 있는 별의 탄생

 

Credit: NASA, ESA, M. Donahue (Michigan State University), and Y. Li (University of Michigan)

 

사진 1> 이 사진은 실제 관측 데이터와 컴퓨터 시뮬레이션으로 재연한 상황을 비교하고 있다. 
상단 사진은 허블우주망원경이 관측한 두 개 은하의 중심부에서 보이는 고밀도 가스의 분포이다.

아래 두 장의 사진은 컴퓨터 시뮬레이션 사진인데 허블의 관측자료와 상당히 비슷해 보인다.

두 개 은하에서 별이 생성되고 있는 것으로 보이는 점들은 은하의 중심부로 추락하는 가스가 중심 블랙홀에 의해 어떻게 제어되고 있는지를 보여주고 있다.

 

우주에서 가장 거대한 타원은하들이 별을 만들어내는 전성기가 지난 후에도 어떻게 오랫동안 별을 만들어낼 수 있는지를 설명하는 독특한 과정이 밝혀졌다.

 

NASA 허블우주망원경의 정교한 해상도와 자외선 감도는 천문학자들로 하여금 거대 타원은하들의 중심부에서 활성 블랙홀의 제트를 따라 찬란한 빛을 뿜어내고 있는 뜨거운 파란색 별들의 존재를 발견할 수 있게 해 주었다.

 

허블 우주망원경을 비롯한 지상과 우주에 위치하는 망원경들을 이용하여 두 개의 독립적인 연구가 진행되었으며 각 연구들은 블랙홀과 제트, 그리고 스스로 통제되고 있는 주기에 의해 새로 탄생하는 별들을 발견할 수 있었다.

 

블랙홀로부터 쏟아져나오는 고에너지 제트는 은하 주위를 둘러싼 헤일로의 가스를 가열시키면서 이 가스들의 냉각 및 은하로 다시 추락하는 비율을 조절하고 있었다.

 

첫번째 연구팀을 이끈 미시건 주립대학 메간 도나휴(Megan Donahue)의 설명은 다음과 같다.
"은하를 둘러싸고 있는 가스를 대기라고 생각해보죠.
이 대기에는 우리 지구의 대기에 가스와 구름, 비가 섞여 있는 것과 같이 여러 상태의 물질들이 포함되어 있을 수 있습니다.
지금 우리가 보고 있는 것은 마치 천둥폭풍과 같은 과정입니다.
제트가 은하 중심으로부터 휘몰아쳐 나올때, 가스 중 일부는 갑작스럽게 식으면서 차가운 덩어리를 이루게 되고 마치 빗방울이 떨어지듯이 은하의 중심으로 추락하게 되죠."
 
두번째 연구팀을 이끌고 있는 예일대학 그랜트 트램블레이(Grant Tremblay)의 설명은 다음과 같다.
"이렇게 형성된 '빗방울'들은 결국 별을 만들어내는 차가운 분자 가스구름을 형성할 수 있을만큼 식게 됩니다.
허블우주망원경의 원자외선 관측능력은 이처럼 별 생성의 원인이 되는 '샤워'를 직접적으로 볼 수 있게 해주죠.
우리는 이 샤워가 제트와 연관되어 있다는 것을 알고 있습니다.
왜냐하면 이들은 제트 주위를 휘감고 있는 가스 다발과 덩굴 내에서 또는 제트에 의해 팽창된 거대한 거품의 모서리를 감싼 채로 발견되기 때문입니다.
이들은 결국 블랙홀 주위에 별을 생성할 수 있는 소용돌이 치는 가스의 웅덩이를 만들게 되죠."
 

그런데 폭포수처럼 쏟아지는 이 가스는 블랙홀에 의해 미약한 이슬비 수준으로 줄어든다.

바깥쪽으로 몰아쳐나오는 가스가 식어가는 동안 블랙홀은 은하를 둘러싸고 있는 나머지 가스들을 가열시키고, 이것이 은하를 뒤덮고 있는 가스가 빠르게 식어가는 것을 막게 되는 것이다.

 

블랙홀 주변의 가스 웅덩이는 블랙홀이 제트를 뿜어내는 힘에 연료를 제공하는 역할을 하기 때문에 전체 과정은 스스로 통제되는 되먹임 구조를 연출해낸다.
 
은하를 둘러싸고 있는 가스가 지나치게 많이 차가와지면 제트는 좀더 강력해지면서 좀더 강력한 가열 작용을 하게 되고
반대로 제트가 너무 많이 가스를 가열시키게 되면 블랙홀에 주입되는 연료가 적어지면서 결국 제트의 강도는 약해지게 된다.

 

 

Credit: NASA, ESA, G. Tremblay (Yale University), and R. Mittal (Rochester Institute of Technology, and Max Planck Institute for Gravitational Physics)

 

사진 2> 허블 우주망원경이 바라본 이 은하들에서는 자외선상에서 사슬 모양으로 배치되어 형성되는 별들의 모습을 보여주고 있다.

각 은하의 별 생성은 중심 블랙홀로부터 뿜어져나온 제트의 움직임에 의해 만들어지는 것이다.
이 제트는 은하의 헤일로로부터 추락하는 가스를 통제하고 있다.

 

Credit: NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)

 

그림 1> 이 상상화는 은하 헤일로 상의 가스와 상호작용하는 블랙홀이 자기 통제 주기를 만들어내는 양상을 묘사하고 있다.

이러한 주기내에서 제트는 은하 중심의 뜨거운 열기를 주위를 둘러싼 헤일로로 뿜어내며

가스들이 식어 은하의 중심으로 추락하는 과정이 서로 얽혀 진행되면서 새로운 별들을 만들어내는 비율이 조정되고 있다.

 

이번 발견은 오늘날 관측되는 많은 타원은하들이 왜 그다지 높지 않은 비율로 별들을 생성해 내는지에 대한 궁금증을 풀어준다.

 

여러해 동안 유지되어 온 질문은 왜 가스에 완전히 담궈져 있는 것으로 보이는 은하들이 이 가스들 모두를 별 생성에 투입시키지 않는가 하는 것이었다.

은하의 진화에 대한 이론적 모델은 미리내보다 훨씬 많은 질량을 가지고 있는 오늘날의 은하들은 반드시 별 생성의 불꽃에 휘감겨 있어야 한다고 예견하고 있지만 실상은 전혀 그렇지 않다.

 

이제 과학자들은 가스가 데워지고 식어가는 일련의 과정이 별 생성을 억제하고 있다는 것을 이해하고 있다.
식어버린 가스는 은하의 뜨거운 가스들을 유지시킬 수 있도록 블랙홀 제트에 충분한 연료를 공급한다.
과학자들은 별들의 폭발적인 탄생을 설명하기 위해 은하의 충돌과 같은 환상적이거나 파국적인 사건이 필요하지 않다는 점을 보여주었다.

 

도나휴가 이끈 연구는 머나먼 우주의 타원은하들을 관측 대상에 포함하고 있는 허블을 이용한 은하단의 중력렌즈와 초신성 연구(the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble, 이하 CLASH)에서 발견된 다양한 무거운 타원은하들에 대한 원자외선 관측을 근거로 진행되었다.

여기에는 가스가 비처럼 내리면서 별들이 생성되고 있는 은하들과 그런 현상이 존재하지 않는 은하들이 모두 포함되어 있다.

 

이에 반해 트렘블레이와 그의 동료들은 근거리 우주에서 중심 근처에 불꽃이 일고 있는 타원은하들을 대상으로 연구를 진행하였다.

 

두 경우 모두에서 별들의 탄생이 만들어내고 있는 점들과 빛다발들은 매우 닮은 현상인 듯 보인다.

 

로체스터 기술연구소 및 막스 플랑크 중력물리학 연구소의 루팔 미탈(Rupal Mittal)이 이끄는 이전의 독립적인 연구에서도 역시 트렘블레이가 연구대상으로 선정한 은하들과 동일한 은하들의 별생성 비율을 분석하였다.

 

과학자들은 미시건 대학 유안 라이(Yuan Li)에 의해 개발된 가스의 흐름을 유체역학적으로 구현한 컴퓨터 시뮬레이션의 도움을 받고 있다.

 

도나휴의 설명은 다음과 같다.
"이 모든 일들이 어떤 모습을 보이게 될지를 예측할 수 있는 모델이 사상 처음으로 지금 우리 손에 있는 것입니다.
이 모델을 데이터와 비교해봤을 때 우리 눈에 보이는 별들을 만들어내는 샤워와 시뮬레이션 상에 나타나는 현상이 놀라울 정도로 유사했습니다.
이제 우리는 물리적 통찰을 가지고 있으며 이를 모델에 적용해 볼 수도 있게 되었습니다."

 

과학자들은 이번 연구를 진행하는데 있어 허블우주망원경 뿐 아니라 은화진화탐사위성(the Galaxy Evolution Explorer, GALEX)과 허셜우주망원경, 스피처우주망원경 및 찬드라X선망원경, X선 다중거울미션(the X-ray Multi-Mirror Mission, XMM-Newton)과 국립전파천문대의 얀스키 초대형 배열, 국립광학천문관측소의 키트 피크 WIYN 3.5미터 망원경 그리고 마젤란 바데 6.5미터 망원경도 함께 활용하였다.

 

이들 관측기기들로부터 획득한 자료를 함께 모아 가장 뜨거운 가스에서부터 가장 차가운 가스까지 모든 가스의 분포에 대한 완벽한 그림을 그릴 수 있었다.

이 일련의 망원경들은 블랙홀과 그 블랙홀의 영향, 그리고 은하를 둘러싼 가스 등을 포함하여 하나의 은하가 얼마나 하나의 생태계와 유사하게 작동하고 있는지를 보여주고 있다.

도나휴의 논문은 2015년 6월 2일, 아스트로피지컬 저널에 개재되었다.

트렘블레이의 논문은 영국 왕립 천문학회의 월간 소식지 2015년 6월 29일판에 개재되었다.

 

Image Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI) Science Credit: NASA, ESA, M. Donahue (Michigan State University), Y. Li (University of Michigan), G. Tremblay (Yale University), and R. Mittal (Rochester Insitute of Technology, and Max Planck Institute for Gravitational Physics)

 

사진 3> 이번 연구들에서 관측 대상이된 은하들.

출처 : 허블사이트 2015년 8월 6일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/26/full/         

 

참고 : 은하에서 관측된 각종 제트에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12347975

 

원문>

News Release Number: STScI-2015-26

NASA's Hubble Finds Evidence of Galaxy Star Birth Regulated by Black-Hole Fountain

Astronomers have uncovered a unique process for how the universe's largest elliptical galaxies continue making stars long after their peak years of star birth. NASA's Hubble Space Telescope's exquisite high resolution and ultraviolet-light sensitivity allowed the astronomers to see brilliant knots of hot, blue stars forming along the jets of active black holes found in the centers of giant elliptical galaxies.

Combining Hubble data with observations from a suite of ground-based and space telescopes, two independent teams found that the black hole, jets, and newborn stars are all parts of a self-regulating cycle. High-energy jets shooting from the black hole heat a halo of surrounding gas, controlling the rate at which the gas cools and falls into the galaxy.

"Think of the gas surrounding a galaxy as an atmosphere," explained the lead of the first study, Megan Donahue of Michigan State University. "That atmosphere can contain material in different states, just like our own atmosphere has gas, clouds, and rain. What we are seeing is a process like a thunderstorm. As the jets propel gas outward from the center of the galaxy, some of that gas cools and precipitates into cold clumps that fall back toward the galaxy's center like raindrops."

"The 'raindrops' eventually cool enough to become star-forming clouds of cold molecular gas, and the far-ultraviolet capabilities of Hubble allowed us to directly observe these 'showers' of star formation," explained the lead of the second study, Grant Tremblay of Yale University. "We know that these showers are linked to the jets because they're found in filaments and tendrils that wrap around the jets or hug the edges of giant bubbles that the jets have inflated," said Tremblay. "And they end up making a swirling 'puddle' of star-forming gas around the central black hole."

But what should be a monsoon of raining gas is reduced to a mere drizzle by the black hole. While some outwardly flowing gas will cool, the black hole heats the rest of the gas around a galaxy, which prevents the whole gaseous envelope from cooling more quickly. The entire cycle is a self-regulating feedback mechanism, like the thermostat on a house's heating and cooling system, because the "puddle" of gas around the black hole provides the fuel that powers the jets. If too much cooling happens, the jets become more powerful and add more heat. And if the jets add too much heat, they reduce their fuel supply and eventually weaken.

This discovery explains the mystery of why many elliptical galaxies in the present-day universe are not ablaze with a higher rate of star birth. For many years, the question has persisted of why galaxies awash in gas don't turn all of that gas into stars. Theoretical models of galaxy evolution predict that present-day galaxies more massive than the Milky Way should be bursting with star formation, but that is not the case.

Now scientists understand this case of arrested development, where a cycle of heating and cooling keeps star birth in check. A light drizzle of cooling gas provides enough fuel for the central black hole's jets to keep the rest of the galaxy's gas hot. The researchers show that galaxies don't need fantastic and catastrophic events such as galaxy collisions to explain the showers of star birth they see.

The study led by Donahue looked at far-ultraviolet light from a variety of massive elliptical galaxies found in the Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble (CLASH), which contains elliptical galaxies in the distant universe. These included galaxies that are raining and forming stars, and others that are not. By comparison, the study by Tremblay and his colleagues looked at only elliptical galaxies in the nearby universe with fireworks at their centers. In both cases, the filaments and knots of star birth appear to be very similar phenomena. An earlier, independent study, led by Rupal Mittal of the Rochester Institute of Technology and the Max Planck Institute for Gravitational Physics, also analyzed the star-birth rates in the same galaxies as Tremblay's sample.

The researchers were aided by an exciting, new set of computer simulations of the hydrodynamics of the gas flows developed by Yuan Li of the University of Michigan. "This is the first time we now have models in hand that predict how these things ought to look," explained Donahue. "And when we compare the models to the data, there's a stunning similarity between the star-forming showers we observe and ones that occur in simulations. We're getting a physical insight that we can then apply to models."

Along with Hubble, which shows where the old and the new stars are, the researchers used the Galaxy Evolution Explorer (GALEX), the Herschel Space Observatory, the Spitzer Space Telescope, the Chandra X-ray Observatory, the X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton), the National Radio Astronomy Observatory (NRAO)'s Jansky Very Large Array (JVLA), the National Optical Astronomy Observatory (NOAO)'s Kitt Peak WIYN 3.5-meter telescope, and the Magellan Baade 6.5-meter telescope. Together these observatories paint the complete picture of where all of the gas is, from the hottest to the coldest. The suite of telescopes shows how galaxy ecosystems work, including the black hole and its influence on its host galaxy and the gas surrounding that galaxy.

Donahue's paper was published in the Astrophysical Journal on June 2, 2015. Tremblay's paper was published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on June 29, 2015.

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410-338-4488 / 410-338-4514
jenkins@stsci.edu / villard@stsci.edu

Megan Donahue
Michigan State University, East Lansing, Michigan
donahue@pa.msu.edu

Grant Tremblay
Yale University, New Haven, Connecticut
grant.tremblay@yale.edu