마카리안 231 (Markarian 231) : 짝블랙홀에 의해 에너지를 공급받는 퀘이사

 

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

 

그림 1> 이 상상화는 지구에서 가장 가까운 퀘이사를 품고 있는 은하인 마카리안 231 (Markarian 231)의 중심에서 발견된 짝 블랙홀을 묘사하고 있다.

이 두 개의 블랙홀은 서로를 마주보며 도는 한 쌍의 스케이트 선수들처럼 회전하며 어마어마한 양의 에너지를 만들어내고 있으며, 이 에너지를 이용하여 은하가 보유하고 있는 수십억 개의 별들이 뿜어내는 빛보다 훨씬 밝은 빛인 퀘이사를 뿜어내고 있다.
퀘이사는 활성은하의 중심에 자리잡고 있는 가장 밝게 빛나는 천체이며 종종 은하 간의 충돌에 의해 에너지를 공급받는다.

이 은하의 핵으로부터 복사되는 자외선 관측 자료는 은하 중심 원반의 형태를 추론 가능하게 해 주었는데 천문학자들은 중심 블랙홀 가까이에서 자외선 복사가 현저하게 줄어드는 양상을 보고 놀라지 않을 수 없었다.

천문학자들은 강착 원반의 중앙에 도넛처럼 구멍을 만들어내는 보다 작은 규모의 짝 블랙홀이 존재할 것으로 추론했으며 이 블랙홀은 자외선을 복사해내는 자신만의 작은 원반을 가지고 있을 것으로 추정되고 있다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 지구에서 가장 가까운 퀘이사를 품고 있는 은하인 마카리안 231(Markarian 231, 이하 Mrk 231)이 서로에 대해 맹렬하게 공전하고 있는 두 개의 블랙홀에 의해 에너지를 곱급받고 있다는 사실을 발견했다.

 

이번 발견은 엄청난 빛을 뿜어내는 활성은하 중심핵의 퀘이사가 일반적으로 두 개의 초거대질량 블랙홀이 존재하는 상태에서 발생하는 것일지도 모른다는 추측을 가능하게 한다.
하나의 은하에 두 개의 초거대질량 블랙홀이 존재하는 이유는 두 개 은하간의 충돌에 의한 결과이다.

 

이 두 개의 블랙홀은 서로를 마주보며 도는 한 쌍의 스케이트 선수들처럼 회전하며 어마어마한 양의 에너지를 만들어내고 있으며, 이 에너지를 이용하여 은하가 보유하고 있는 수십억 개의 별들이 뿜어내는 빛보다 훨씬 밝은 빛이 만들어지게 되는데, 바로 이러한 현상을 과학자들이 퀘이사로서 식별하게 되는 것이다.

 

과학자들은 Mrk 231 중심지역의 자외선 복사를 담은 허블의 아카이브 데이터를 통해 "극단적이고 놀라운 특성들"이라고 묘사한 이 현상을 발견해냈다.

 

퀘이사의 중심에 블랙홀이 하나만 존재했다면 그 주위를 둘러싸고 있는 뜨거운 가스로 만들어진 강착 원반 전체가 자외선에서 밝은 빛을 쏟아냈을 것이다.

그런데 이 자외선 불꽃은 중심방향으로는 갑작스럽게 그 밝기가 떨어지는 양상을 보이고 있다.

 

이러한 현상은 원반이 블랙홀을 중심에 두고 거대한 도넛처럼 이를 둘러싸고 있다는 관측적 증거를 제공해 준다.

 

이러한 관측결과에 대해 역학적 모델에 기반을 둔 최상의 가설은 원반의 중심이 서로에 대해 공전하고 있는 두 개의 블랙홀활동에 의해 깎여나갔다고 설명하고 있다.
두번째 가설은 강착원반의 안쪽 모서리에 자리잡고 있는 블랙홀 중 상대적으로 작은 블랙홀이 자외선에서 밝게 빛나는 자신만의 작은 원반을 가지고 있을 것이라고 가정하고 있다.

 

중국 과학 아카데미 국립 천문대의 루 유준(Youjun Lu)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 이번 결과에 무척 흥미를 느끼고 있습니다.
왜냐하면 이것은 Mrk 231에 서로 가깝게 도는 짝 블랙홀이 존재한다는 것을 말해줄뿐만 아니라 자외선 복사의 특성을 이용하여 이와 같은 짝 블랙홀을 체계적으로 찾아낼 수 있는 새로운 방법을 개척한 것이기 때문입니다."
 
공동연구자인 오클라호마 대학 다이 진유(Xinyu Dai)의 설명은 다음과 같다.
"거대한 은하나 은하단과 같은 우리 우주의 천체들은 비교적 작은 천체들이 충돌하여 더 큰 천체로 성장해간 결과입니다.
은하의 충돌 과정에서 짝 블랙홀은 매우 자연스러운 결과이기도 하죠."
 
이 은하의 중심에 자리잡고 있는 블랙홀의 질량은 태양 질량의 1억 5천만배로 예측되고 있으며 동반 블랙홀의 질량은 태양 질량의 4백만배 정도로 예측되고 있다.

이 두 개의 블랙홀은 서로에 대해 1.2년을 주기로 공전하고 있다.
질량이 적은 블랙홀은 Mrk 231을 형성한 충돌 은하 중 규모가 더 적은 은하의 잔해이다.

 

최근에 은하간의 충돌이 있었던 것이라는 증거는 이 은하가 가지고 있는 비대칭성과 갓 태어난 푸른 별들로 만들어진 기다란 중력 꼬리이다.
이러한 충돌의 결과 만들어진 Mrk 231 은 왕성하게 새로운 별들을 만들어내는 은하로서 미리내 대비 100배의 비율로 새로운 별들을 만들어내고 있다.

 

블랙홀로 추락하는 가스들이 은하바깥으로 몰아쳐나오는 폭풍과 가스의 에너지원으로 작용하며 이렇게 몰아쳐나온 가스폭풍이 별탄생의 격랑을 만들어내고 있다.
이 짝 블랙홀은 서로에 대해 나선형 추락을 계속하다가 향후 수십만년 내에 하나로 합쳐지게 될 것이다.

 

Mrk 231은 지구로부터 5억 8천 1백만 광년 거리에 위치하고 있다.
이번 연구 결과는 아스트로피지컬 저널 2015년 8월 14일 판에 개재되었다.

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

 

사진 1> 허블우주망원경이 지구에서 가장 가까운 퀘이사를 품고 있는 마카리안 231 은하의 중심에서 밝은 별빛과 같은 불꽃을 감지해냈다.

5억 8천 1백만 광년 거리에 위치하는 이 은하의 빛은 지구에 다세포 생명이 출현하기 전에 출발한 빛이다.

퀘이사는 주변의 가스를 가열시키며 막대한 에너지를 만들어내고 있는 블랙홀에 의해 에너지를 공급받고 있다.

허블분광관측 데이터는 이곳에 상호공전하는 두 개의 초거대질량의 블랙홀이 존재함을 암시하고 있다.

이와 같은 짝블랙홀이 가장 가까운 퀘이사에서 감지되었기 때문에 아마 많은 퀘이사가 짝블랙홀을 거느리고 있지 않을까 생각된다.

이러한 현상은 은하의 충돌에 따른 자연스러운 결과이다.

 

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

 

표1> 단순하게 표현된 이 분광데이터는 퀘이사를 품고 있는 은하 마카리안 231의 중심에서 나타나는 복사 양상을 보여주고 있다.

은하 중심의 블랙홀을 둘러싸고 있는 원반으로부터 발생한 가시광선과 적외선 측정치가 나타나 있다.

놀랍게도 허블우주망원경에 의해 측정된 원반의 자외선 복사가 뚝 떨어지는 양상을 보여주고 있다.

이러한 현격한 차이는 첫번째 블랙홀 주위를 공전하는 두 번째 블랙홀에 의해 만들어진 것으로 생각되고 있다.

 

 

출처 : 허블사이트 2015년 8월 27일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/31/

 

참고 : 마카리안 231 (Markarian 231)을 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 : 퀘이사에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346987
          
참고 : 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

원문>

Hubble Finds That the Nearest Quasar Is Powered by a Double Black Hole

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have found that Markarian 231 (Mrk 231), the nearest galaxy to Earth that hosts a quasar, is powered by two central black holes furiously whirling about each other.

The finding suggests that quasars — the brilliant cores of active galaxies — may commonly host two central supermassive black holes that fall into orbit about one another as a result of the merger between two galaxies. Like a pair of whirling skaters, the black-hole duo generates tremendous amounts of energy that makes the core of the host galaxy outshine the glow of the galaxy's population of billions of stars, which scientists then identify as quasars.

Scientists looked at Hubble archival observations of ultraviolet radiation emitted from the center of Mrk 231 to discover what they describe as "extreme and surprising properties."

If only one black hole were present in the center of the quasar, the whole accretion disk made of surrounding hot gas would glow in ultraviolet rays. Instead, the ultraviolet glow of the dusty disk abruptly drops off towards the center. This provides observational evidence that the disk has a big donut hole encircling the central black hole. The best explanation for the observational data, based on dynamical models, is that the center of the disk is carved out by the action of two black holes orbiting each other. The second, smaller black hole orbits in the inner edge of the accretion disk, and has its own mini-disk with an ultraviolet glow.

"We are extremely excited about this finding because it not only shows the existence of a close binary black hole in Mrk 231, but also paves a new way to systematically search binary black holes via the nature of their ultraviolet light emission," said Youjun Lu of the National Astronomical Observatories of China, Chinese Academy of Sciences.

"The structure of our universe, such as those giant galaxies and clusters of galaxies, grows by merging smaller systems into larger ones, and binary black holes are natural consequences of these mergers of galaxies," added co-investigator Xinyu Dai of the University of Oklahoma.

The central black hole is estimated to be 150 million times the mass of our sun, and the companion weighs in at 4 million solar masses. The dynamic duo completes an orbit around each other every 1.2 years.

The lower-mass black hole is the remnant of a smaller galaxy that merged with Mrk 231. Evidence of a recent merger comes from the host galaxy's asymmetry, and the long tidal tails of young blue stars.

The result of the merger has been to make Mrk 231 an energetic starburst galaxy with a star-formation rate 100 times greater than that of our Milky Way galaxy. The infalling gas fuels the black hole "engine," triggering outflows and gas turbulence that incites a firestorm of star birth.

The binary black holes are predicted to spiral together and collide within a few hundred thousand years.

Mrk 231 is located 581 million light-years away.

The results were published in the August 14, 2015, edition of The Astrophysical Journal.

CONTACT

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

Jana Smith
University of Oklahoma, Norman, Ok.
405-325-1701
jana.smith@ou.edu

Xinyu Dai
University of Oklahoma, Norman, Ok.
405-325-3961
xdai@ou.edu