초거대질량의 블랙홀을 짝으로 거느린 은하는 생각보다 적은 것 같다.

 

Credit: Roberts, et al., NRAO/AUI/NSF

 

 

Credit: Roberts, et al.; Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

 

사진 1, 2> 왼쪽의 은하는 J0702+5002 로서 이 은하는 은하간의 충돌에 의해 X자 모양을 갖춘 은하가 아닌 것으로 결론이 난 은하이다.
이에 반해 오른쪽 은하 J1043+3131 은 충돌을 통해 만들어진 은하후보이다. 

 

초거대질량의 블랙홀을 짝으로 거느린 은하는 생각보다 적은 것 같다.

 

국립과학재단 칼 G. 얀스키 초대형배열 전파 망원경(Karl G. Jansky Very Large Array radio telescope, 이하 VLA)의 데이터를 분석한 천문학자들의 새로운 연구에 따르면 그 중심에 상호 공전하는 초거대질량의 블랙홀을 거느린 은하는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 드문 경우일지도 모른다고 한다.

 

무거은 은하들은 그 중심에 태양 질량의 수백만 배에 달하는 블랙홀을 품고 있다.
그러한 두 개 은하가 충돌하게 되면 초거대질량의 블랙홀 역시 서로 가까운 거리를 두고 상호공전하게 되고 궁극적으로 하나로 합쳐지게 된다.

 

과학자들은 이러한 과정이 아직까지도 직접적으로 관측되지 않은 중력파를 오랜동안 눈에 띄게 만들 수 있는 가장 강력한 원천일 것으로 기대하고 있다.

 

이번 논문의 주저자인 브랜다이스 대학 데이비드 로버트(David Roberts)의 설명은 다음과 같다.
"중력파는 천체물리학에 있어서 새로운 도전을 상징합니다.
중력파가 발견된다면 우리는 우주에 대한 새로운 통찰에 눈을 뜨게 될 것입니다.
따라서 이러한 파동을 만들 수 있을만한 원천에 대해 가능한 많은 정보를 축적하는 것이 매우 중요합니다."

전세계의 천문학자들은 중력파를 감지하기 위한 일환으로 미리내 전역에서 빠르게 회전하는 펄서를 예전부터 모니터링해왔다.

이러한 모니터링 프로그램들은 시공간을 휘어놓는 중력파에 의해 펄서의 신호가 움직이는 양상을 측정하기 위해 노력하고 있다.

 

펄서는 빠르게 회전하면서 등대와 같이 복사를 방출하는 초고밀도의 중성자 별이며 복사되는 라디오파를 통해 그 회전율을 정확하게 측정할 수 있는 천체이다.

 

로버트와 그의 동료들은 "X자 모양의 라디오파 은하(X-shaped radio galaxies)"라 불리는 은하들을 샘플로 연구를 진행하였는데
이들의 특이한 구조는 엄청난 속도를 지니며 라디오파를 복사해내는 제트의 방향이 바뀌었을 가능성을 말해준다.
이러한 제트는 중심 블랙홀 주위를 휘감아 도는 물질 원반으로부터 분출된 입자로 만들어진 것이다.

 

이러한 변화에 대해 예전에는 또다른 은하와의 충돌에 의해 발생하는 것으로 제안된 바 있다.
이로부터 블랙홀의 자전축 뿐 아니라 제트의 분출 방향도 함께 변화되었다고 보는 것이다.

 

이에 대해 예전에 연구된 100 개의 천체들에 대한 데이터 중에서 52개 천체에 대한 보다 상세한 사진들이 촬영되었다.

그리고 이 새로운 자료에 대한 연구 결과 이중에서 오직 11개만이 은하간의 충돌에 의해 라디오 제트의 방향이 달라진 은하임이 밝혀졌다.
즉 나머지 은하들의 경우 제트의 방향 변화는 다른 원인에 의해 발생했다는 것이다.

 

 

이러한 현상을 근거로 추정해 본 결과 천문학자들은 확장된 라디오파 복사를 가진 은하 중 1.3 퍼센트 이하의 은하만이 충돌을 겪은 은하로 추정하였다.

이러한 비율은 이전의 추정치보다 다섯배나 더 적은 수준이다.

 

로버트의 설명은 다음과 같다.
"이전의 측정치와 비교했을 때, X자 모양의 전파 은하로부터 발생하여 매우 긴 파동을 유지하는 중력파의 수준은 현저하게 낮은 것일 수 있습니다.
이러한 가능성은 기초 물리학의 이해를 전진시켜 나가기 위해 라디오파와 같은 전자기파 복사를 통해 우리가 볼 수 있는 천체들과 중력파의 연관성을 추정하는데 매우 중요한 고려사항이 될 것입니다."
 
시공간에 요동치는 중력파는 1916년 앨버트 아인슈타인이 그의 일반상대성 이론에서 예견한 것이다.

 

중력파에 대한 첫번째 증거는 1974년 조셉 테일러(Joseph Taylor)와 러셀 헐스(Russell Hulse)에 의해 별 주위를 돌고 있는 펄서가 처음으로 관측되면서 제기되었다.
수년에 걸친 이 한쌍의 천체에 대한 관측결과 이들의 공전궤도는 아인슈타인이 등가성원리에서 예견한 것과 같은 비율대로 줄어들고 있음을 알 수 있었다.
이러한 사실은 중력파가 이 한 쌍의 천체로부터 에너지를 실어 어디론가 나른다는 것을 의미하는 것이었다.

 

테일러와 헐스는 중력파에 대해 예견된 효과를 입증한 공로로 1993년 노벨 물리학상을 수상하였다.
그러나 이 중력파에 대한 직접적인 관측은 아직 이루어지지 않았다.

 

로버트와 함께 작업에 참여한 이들은 브랜다이즈 대학의 학부생 제이크 코헨(Jake Cohen and)과 징 루(Jing Lu)로서 이들은 VLA 아카이브로부터 데이터를 추출하고 은하에 대한 사진들을 만들어내는 역할을 수행하였다.
또한 인도 뱅갈로의 라만 연구소 락슈미 사리팔리(Lakshmi Saripalli)와 라비 수브라마니안(Ravi Subrahmanyan)도 함께 작업에 참여하였다.

 

연구원들은 연구 결과 및 분석내역을 담은 논문을 아스트로피지컬 저널과 아스트로피직스 저널 부록을 통해 발표하였다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2015년 9월 21일자 
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/black-hole-pairs

 

참고 : 우주 일반 및 우주론 관련 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

21 September 2015

Pairs of Supermassive Black Holes in Galaxies May Be Rarer Than Previously Thought

There may be fewer pairs of supermassive black holes orbiting each other at the cores of giant galaxies than previously thought, according to a new study by astronomers who analyzed data from the National Science Foundation's Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) radio telescope.

Massive galaxies harbor black holes with millions of times more mass than our Sun at their centers. When two such galaxies collide, their supermassive black holes join in a close orbital dance that ultimately results in the pair combining. That process, scientists expect, is the strongest source of the long-sought, elusive gravitational waves, still yet to be directly detected.

"Gravitational waves represent the next great frontier in astrophysics, and their detection will lead to new insights on the Universe," said David Roberts of Brandeis University, lead author of the research. "It's important to have as much information as possible about the sources of these waves," he added.

Astronomers worldwide have begun programs to monitor fast-rotating pulsars throughout our Milky Way Galaxy in an attempt to detect gravitational waves. These programs seek to measure shifts in the signals from the pulsars caused by gravitational waves distorting the fabric of space-time. Pulsars are spinning, superdense neutron stars that emit lighthouse-like beams of light and radio waves that allow precise measurement of their rotation rates.

Roberts and his colleagues studied a sample of galaxies called "X-shaped radio galaxies," whose peculiar structure indicated the possibility that the radio-emitting jets of superfast particles ejected by disks of material swirling around the central black holes of these galaxies have changed directions. The change, astronomers had suggested, was caused by an earlier merger with another galaxy, causing the spin axis of the black hole as well as the jet axis to shift direction.

Working from an earlier list of 100 such objects, they collected archival data from the VLA to make new, more detailed images of 52 of them. Their analysis of the new images led them to conclude that only 11 are "genuine" candidates for galaxies that have merged, causing their radio jets to change direction. The jet changes in the other galaxies, they concluded, came from other causes.

Extrapolating from this result, the astronomers estimated that fewer than 1.3 percent of galaxies with extended radio emission have experienced mergers. This rate is five times lower than previous estimates.

"This could significantly lower the level of very-long-wave gravitational waves coming from X-shaped radio galaxies, compared to earlier estimates," Roberts said. "It will be very important to relate gravitational waves to objects we see through electromagnetic radiation, such as radio waves, in order to advance our understanding of fundamental physics," he added.

Gravitational waves, ripples in space-time, were predicted in 1916 by Albert Einstein as part of his theory of general relativity. The first evidence for such waves came from observations of a pulsar orbiting another star, a system discovered in 1974 by Joseph Taylor and Russell Hulse. Observations of this pair over several years showed that their orbits are decaying at exactly the rate predicted by Einstein's equations that indicate gravitational waves carrying energy away from the system.

Taylor and Hulse received the 1993 Nobel Prize in physics for this work, which confirmed a predicted effect of gravitational waves. However, no direct detection of such waves has yet been made.

Roberts worked with Jake Cohen and Jing Lu, Brandeis undergraduates who retrieved the data from the VLA archive and produced the images of the galaxies; and Lakshmi Saripalli and Ravi Subrahmanyan of the Raman research Institute in Bangalore, India. The researchers reported their results and analysis in a pair of papers in the Astrophysical Journal Letters and the Astrophysical Journal Supplements.

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

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