SPT-CLJ2344-4243 : 봉황자리 은하단(Phoenix Cluster)의 거대한 X선 구멍

 

Credit X-ray: NASA/CXC/MIT/M.McDonald et al; Optical: NASA/STScI; Radio: TIFR/GMRT

 

• 봉황자리 은하단(Phoenix Cluster)에 대한 X선 및 가시광선, 자외선 파장을 이용한 새로운 관측 결과 이 독특한 은하단에 대한 새로운 세부 모습들이 밝혀졌다.

• 봉황자리 은하단은 은하단의 속성에 대한 몇가지 기록을 가지고 있다.

• X선을 이용한 관측 결과 이 은하단에 뜨거운 가스가 퍼져 있는 거대한 구멍이 발견되었다.

• 이 X선 구멍을 휘감고 있는 거대한 가스와 먼지다발은 은하단 내에서 발생하고 있는 폭발적인 별 생성에 있어 중요한 역할을 수행하고 있는 것으로 보인다.

 

 

은하단은 종종 가장 거대한 천체로 묘사되곤 한다.

어쨌든 은하단은 은하들과 고온의 가스, 암흑물질들이 서로 중력으로 얽혀있는, 우주에서 가장 거대한 구조체에 해당한다.

 

은하단은 그 중심부에서 새로운 별들의 생성이 점점 줄어드는 경향을 보이곤 한다.

일반적으로 은하단 중심에 거대한 하나의 은하가 존재하면서 그 은하에서는 미리내를 포함한 대부분의 은하에서 만들어내는 별 생성 비율보다 낮은 비율로 별을 생성하곤 하는 것이다.

 

은하단 내의 중심 은하가 품고 있는 초거대 질량의 블랙홀은 대략 미리내가 품고 있는 초거대 질량의 블랙홀보다 일천배에 달하는 질량을 가지고 있다.

이러한 블랙홀로부터 몰아쳐 나오는 폭풍에 의한 일체의 가열작용이 없다면 은하의 중심에 자리잡고 있는 어마어마한 양의 뜨거운 가스는 빨리 식게 되고, 이로써 빠른 속도로 별들을 만들어낼 수 있게 된다.

 

따라서 중심 블랙홀은 자동 온도 조절계와 같은 역할을 수행하는 것으로 생각된다.
이 블랙홀이 주위의 뜨거운 가스가 빠르게 식는 것을 예방하고 결과적으로 새로운 별의 생성을 방해하게 되는 것이다.

 

 

그런데 자신이 위치하고 있는 별자리의 이름을 따서 봉황자리 은하단이라는 별칭을 가지고 있는 SPT-CLJ2344-4243 은하단에 대한 세밀한 관측결과는 이러한 경향과는 전혀 다른 모습을 보여주고 있다.

 

 

이 은하단은 이미 몇 개의 신기록을 가지고 있는 은하단이다.
2012년에 과학자들은 이 봉황자리 은하단의 중심에서 매우 높은 비율로 뜨거운 가스가 식어가면서 별들이 빠르게 만들어지고 있다는 것을 보고한 바 있다.
또한 이 은하단은 지금까지 알려진 은하단 중 가장 강력하게 X선을 복사해내고 있는 은하단이다.

또한 은하단의 중심에서 뜨거운 가스가 식어가는 비율은 지금까지 관측된 것들 중 가장 대규모로 이루어지는 현상이기도 하다.

 

이번에 수행된 새로운 관측은 찬드라 X선 망원경과 허블우주망원경, 칠레에 자리잡고 있는 클레이-마젤란 망원경을 이용하여 각각 X선과 자외선, 가시광선 파장으로 수행됨으로서 천문학자들로 하여금 이 주목할만한 천체에 대해 보다 많은 내용을 알 수 있게 해주었다.

클레이-마젤란 망원경의 가시광선 데이터는 별들의 생성이 진행중인 중심 지점에서 폭이 좁은 기다란 다발들의 존재를 드러내주었다.

가스와 먼지로 구성된 이 거대한 우주의 다발 대부분은 이전에는 관측되 적이 없는 것들이며 그 길이는 16만 광년에서 33만 광년까지 뻗어 있는 상태였다.

 

이는 미리내 전체 폭보다도 훨씬 긴 것으로서 지금까지 은하단에서 목격된 다발 중 가장 기다란 다발에 해당한다.

이 다발들은 X선을 강하게 복사해내는 뜨거운 가스가 몰려있는 거대한 구멍을 감싸고 있다.

이 X선 구멍은 찬드라 X선 망원경이 촬영하여 푸른색으로 기록한 데이터와 허블우주망원경이 촬영한 가시광선 데이터를 조합한 사진에서 그 모습을 드러내고 있다.

 

 

Credit   X-ray: NASA/CXC/MIT/M.McDonald et al; Optical: NASA/STScI; Radio: TIFR/GMRT

 

천문학자들은 이 X선 구멍들이 은하단의 중심에 자리잡고 있는 초거대 질량의 블랙홀 근처에서 뿜어져나오는 고에너지 입자의 강력한 제트에 의해 주위 가스들이 깎여나가면서 만들어진 것으로 생각하고 있다.

 

물질들이 블랙홀로 소용돌이 치며 휘감겨들어갈때 엄청난 양의 중력에너지가 발산된다.

 

다른 은하단에서 초거대질량의 블랙홀을 라디오파와 X선으로 관측하여 합쳐보면 블랙홀로부터 뿜어져나오는 제트에 의해 생성되어 수백만년동안 유지된 에너지의 파편을 볼 수 있다.

이 X선 구멍들의 크기를 근거로 볼때, SPT- CLJ2344-4243 에 구멍을 만들어낸 블랙홀로부터 몰아쳐나오는 폭풍은 지금까지 기록된 것들 중 가장 왕성한 에너지를 가지고 있는 사건 중 하나에 해당한다.

 

 

Credit   Optical: NASA/STScI; Radio: TIFR/GMRT

 

사진 3> 라디오파와 가시광선 파장으로 바라본 봉황자리 은하단

그런데 봉황자리 은하단 중심에 자리잡고 있는 블랙홀은 여러 변화를 겪고 있는 중이다.
이 블랙홀은 블랙홀로 물질이 추락하면서 에너지를 공급받는 대단히 밝은 천체인 퀘이사를 만들어내기도 하고 있으며 고에너지 입자의 제트를 만들어내고 있는 '라디오파 은하들'에 에너지를 공급하기도 하는 중이다.

 

블랙홀 전체 에너지의 반은 라디오파 제트로 에너지를 공급할 때 여기에서 몰아쳐나온 제트가 주위 가스를 밀어제끼는데 소요되고 있으며  나머지 반은 강착원반에서 가시광선 및 적외선 X선 대역의 에너지를 방출하는데 사용되고 있다.

천문학자들은 이 은하단의 중심 블랙홀이 이러한 두 가지 상태의 와중에 수난을 겪고 있는 중일 것으로 추측하고 있다.

 

은하단의 중심으로부터 멀찍이 자리잡고 있는 X선 구멍들은 중심 블랙홀로부터 수억년 전에 몰아쳐나온 강력한 폭풍의 증거를 보여주고 있다.
(일단 '수억년 전'이란 시간 척도는 우리로부터 은하단까지의 거리를 무시하고 고려한 수치이다.)

이러한 현상을 은하단 중심 블랙홀에 적용해보면 다음과 같다.

이 블랙홀은 수억년 전에는 몰아쳐나오는 폭풍을 동반한 라디오파 모드의 블랙홀이었을 것이다.
그 이후 퀘이사가 방출되는 블랙홀로 변했다가 다시 라디오파 제트를 복사해 내는 블랙홀로 변화하였을 것이다. 
 
라디오파 제트가 몰아쳐 나온지 않는 중간 지점에서 가스가 빠르게 식게 되었고, 이로부터 은하단 중심에 위치하고 있는 은하 전역의 가스와 먼지 다발에서 매년 태양 질량에 610배에 달하는 어마어마한 속도로 별들이 만들어지게 된것이다.

참고로 미리내의 경우는 매년 두 개 정도의 새로운 별이 탄생되고 있을 뿐이다.

 

 

봉황자리 은하단의 이 극단적인 속성은 별의 생성이나 은하와 블랙홀의 성장, 블랙홀과 그 주변환경간의 상호 진화와 같은 다양한 천체물리학적 문제에 새로운 통찰을 제공해주고 있다.

 

메사추세츠 기술 연구소의 마이클 맥도날드(Michael McDonald)가 이끈 이번 논문은 아스트로피지컬 저널에 개재가 허락되었으며 온라인 상에서는 이미 확인이 가능하다.

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2015년 9월 30일 
         http://chandra.harvard.edu/photo/2015/phoenix/      

 

참고 : SPT- CLJ2344-4243을 비롯한 각종 은하단 및 은하에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 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 : 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346986
      

 

원문>

Phoenix Cluster: A Fresh Perspective on an Extraordinary Cluster of Galaxies

• New observations of the "Phoenix Cluster" at X-ray, optical, and ultraviolet wavelengths provide new details about this remarkable system.

 

• The Phoenix Cluster holds several records for properties of a galaxy cluster.

 

• X-rays from Chandra reveal giant holes, or cavities, in the hot gas that pervades the cluster.

 

• Massive filaments of gas and dust surround the X-ray cavities and may play a role in the extreme star formation seen in the cluster.
• Galaxy clusters are often described by superlatives. After all, they are huge conglomerations of galaxies, hot gas, and dark matter and represent the largest structures in the Universe held together by gravity.New data provide more details on how the galaxy cluster SPT-CLJ2344-4243, nicknamed the Phoenix Cluster for the constellation in which it is found, challenges this trend. The cluster has shattered multiple records in the past: In 2012, scientists announced that the Phoenix cluster featured the highest rate of cooling hot gas and star formation ever seen in the center of a galaxy cluster, and is the most powerful producer of X-rays of all known clusters. The rate at which hot gas is cooling in the center of the cluster is also the largest ever observed.These filaments surround large cavities - regions with greatly reduced X-ray emission - in the hot gas. The X-ray cavities can be seen in this composite image that shows the Chandra X-ray data in blue and optical data from the Hubble Space Telescope (red, green, and blue). For the location of these "inner cavities", mouse over the image. Astronomers think that the X-ray cavities were carved out of the surrounding gas by powerful jets of high-energy particles emanating from near a supermassive black hole in the central galaxy of the cluster. As matter swirls toward a black hole, an enormous amount of gravitational energy is released. Combined radio and X-ray observations of supermassive black holes in other galaxy clusters have shown that a significant fraction of this energy is released as jets of outbursts that can last millions of years. The observed size of the X-ray cavities indicates that the outburst that produced the cavities in SPT- CLJ2344-4243 was one of the most energetic such events ever recorded.
• New observations of this galaxy cluster at X-ray, ultraviolet, and optical wavelengths by NASA's Chandra X-ray Observatory, the Hubble Space Telescope, and the Clay-Magellan telescope located in Chile, are helping astronomers better understand this remarkable object. Clay-Magellan's optical data reveal narrow filaments from the center of the cluster where stars are forming. These massive cosmic threads of gas and dust, most of which had never been detected before, extend for 160,000 to 330,000 lights years. This is longer than the entire breadth of the Milky Way galaxy, making them the most extensive filaments ever seen in a galaxy cluster.
• Galaxy clusters tend to be poor at producing new stars in their centers. They generally have one giant galaxy in their middle that forms stars at a rate significantly slower than most galaxies - including our Milky Way. The central galaxy contains a supermassive black holeroughly a thousand times more massive than the one at the center of our galaxy. Without heating by outbursts from this black hole, the copious amounts of hot gas found in the central galaxy should cool, allowing stars to form at a high clip. It is thought that the central black hole acts as a thermostat, preventing rapid cooling of surrounding hot gas and impeding star formation.
• However, the central black hole in the Phoenix cluster is suffering from somewhat of an identity crisis, sharing properties with both "quasars", very bright objects powered by material falling onto a supermassive black hole, and "radio galaxies" containing jets of energetic particles that glow in radio waves, and are also powered by giant black holes. Half of the energy output from this black hole comes via jets mechanically pushing on the surrounding gas (radio-mode), and the other half from optical, UV and X-radiation originating in an accretion disk (quasar-mode). Astronomers suggest that the black hole may be in the process of flipping between these two states.It is thought that rapid cooling may have occurred in between these outbursts, triggering star formation in clumps and filaments throughout the central galaxy at a rate of about 610 solar masses per year. By comparison, only a couple new stars form every year in our Milky Way galaxy. The extreme properties of the Phoenix cluster system are providing new insights into various astrophysical problems, including the formation of stars, the growth of galaxies and black holes, and the co-evolution of black holes and their environment.
• A paper describing these results, led by Michael McDonald (Massachusetts Institute of Technology), has been accepted for publication in The Astrophysical Journal and is available online. NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for NASA's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations.
• X-ray cavities located farther away from the center of the cluster, labeled as "outer cavities", provide evidence for strong outbursts from the central black hole about a hundred million years ago (neglecting the light travel time to the cluster). This implies that the black hole may have been in a radio mode, with outbursts, about a hundred million years ago, then changed into a quasar mode, and then changed back into a radio mode.