화가자리 A (Pictor A): 머나먼 은하의 블랙홀로부터 뿜어져나오는 폭발.

 

Credit  X-ray: NASA/CXC/Univ of Hertfordshire/M.Hardcastle et al., Radio: CSIRO/ATNF/ATCA

 

• 30만 광년에 걸쳐 연속적으로 뻗어있는 거대한 제트가 화가자리 A 은하로부터 터져나오는 것이 목격되었다.

• 이번에 새로 발표된 사진은 X선(파란색)과 라디오파(빨간색)로 담은 이 제트의 모습을 보여주고 있다.

• 원래 제트에 이어 그 반대편으로 뻗어나가고 있는 또다른 제트의 증거도 발견되었다.

• 15년에 걸쳐 여러 차례 진행된 찬드라 X선 망원경의 관측 데이터는 이 인상적인 계에 대한 새로운 세부 내역을 제공해주고 있다.

 

영화 스타워즈에서는 우주 공간으로 강력한 빛줄기를 뿜어내는 데스 스타(Death Star)가 등장한다.
그러나 우주는 이러한 공상과학영화가 상상할 수 있는 것보다 훨씬 강력한 현상을 종종 만들어낸다.

 

화가자리 A 은하는 이러한 인상적인 천체들 가운데 하나이다.
5억 광년 거리에 자리잡고 있는 이 은하는 그 중심에 초거대질량의 블랙홀을 품고 있다.

 

어마어마한 양의 중력 에너지가 물질로 뿜어져 나와 한 번 추락하면 더 이상 돌아오지 못하는 지점인 사건의 지평선을 향해 쓸려가고 있다.

이 에너지가 거의 빛의 속도에 육박하는 속도로 우주공간으로 쏟아져나오는 입자로 구성된, 거대한 제트를 만들고 있는 것이다.

 

이 제트의 사진을 촬영하기 위해 과학자들은 찬드라 X선 망원경을 이용하여 15년 동안 여러 번 이 대상을 관측해왔다.

 

찬드라 X선 데이터(파란색)는 호주 고밀도 망원경 배열(the Australia Telescope Compact Array)이 촬영한 라디오파 데이터(빨간색)와 합성되었다.

 

X선과 라디오파 모두에서 촬영된 구조를 상세하게 연구함으로써 과학자들은 이 거대한 일직선 폭발 양상에 대해 보다 근본적인 이해를 얻기 위해 노력하고 있다.

 

사진 오른쪽으로 보이는 제트는 우리에게 가장 가까운 부분에 해당한다.
이 제트는 30만 광년 이상의 거리에서 지속적으로 X선을 방출하고 있다.

 

이 길이가 얼마나 광활한 길이인지는 우리 은하 미리내가 10만 광년이라는 사실을 통해서도 알 수 있다.

 

상대적으로 가까운 거리와 X선으로 세부적인 사진을 만들어낼 수 있는 찬드라 X선 망원경의 관측 능력 덕분에 과학자들은 이 제트의 세부 구조를 볼 수 있었으며 이 X선 복사가 어떻게 만들어졌는지를 검증해 볼 수 있게 되었다.

 

사진에서 오른쪽을 향하고 있는 제트에 더하여 과학자들은 그 반대 방향을 향하고 있는, 이름바 "반제트(counterjet)"라는 이름의 또다른 제트에 대한 증거도 보고하였다.
이전 관측을 통해서 보고된 이 반제트에 대한 증거는 임시적인 증거였지만 이번 찬드라 관측 데이터는 이 반제트의 증거를 확정해주었다.

 

이 반제트는 제트에 비해 상대적으로 희미하게 보이는데 이는 그 방향이 지구 반대 방향으로 향하고 있기 때문인 것으로 보인다.
이 사진은 초거대질량의 블랙홀과 제트 및 반제트의 위치를 보여주고 있다.

 

 

Credit  X-ray: NASA/CXC/Univ of Hertfordshire/M.Hardcastle et al., Radio: CSIRO/ATNF/ATCA

 

"라디오파 구체(radio lobe)"라는 설명이 달린 구조는 제트가 주변의 가스를 밀어붙여 생성된 것이며, 제트의 끝 부분에 "고온점(hotspot)"이라는 설명이 붙은 구조는 충격파에 의해 만들어진 것이다.

이것은 초음속 제트기가 만들어내는 음속 폭음과 같은 원리로 생성된 것이다.

 

찬드라 X선 망원경에 의해 관측된 제트와 반제트에 대한 세부 속성은 이들의 X선 복사가 이른바 싱크로톤 방출(synchrotron emission)이라는, 전자가 자기장 주위를 나선형으로 회전하는 현상으로부터 나오는 것이라는 점을 알려주고 있다.
 
이 경우 전자는 뿜어져나오는 제트에 의해 지속적으로 재가속되고 있음에 틀림없다.

어떻게 이러한 과정이 진행되는지에 대해서는 여전히 잘 이해되지 않고 있다.

 

과학자들은 이외에 제트에서의 X선 복사를 만들어내는 또다른 메커니즘에 대한 가설은 배제하였다.

 

과학자들이 생각했던 또다른 시나리오는 다음과 같았다.

 

블랙홀로부터 제트를 타고 거의 빛의 속도에 육박하는 속도로 밀려나온 제트가 초기 우주의 빅뱅으로부터 만들어진 우주배경복사를 뚫고 지나가면서 X선이 방출된다는 것이다.

빠르게 움직이는 전자가 우주배경복사의 광자 중 하나와 충돌하게 되면 이 광자의 에너지가 X선 대역까지 상승하게 만들 수 있다.

그렇다면 제트에서 방출되는 X선 복사는 전자빔이 가지고 있는 에너지와 우주배경복사의 밀도에 좌우될 것이다.

 

그러나 화가자리 A은하의 제트 및 반제트로부터 방출되는 상대적으로 밝은 X선 복사는 우주배경복사를 고려한 이 프로세스에서 예상치에 부합되지 않았으며 따라서 제트 내에서 X선을 만들어내는 원천에 대한 이 가설은 쉽게 제거될 수 있었다.

 

이번 연구 결과를 담은 논문은 왕립천문학회 월보에 개재되었으며 온라인 상에서 조회가 가능하다.

이번 논문의 저자들은 다음과 같다.

 

마틴 하드캐슬(Martin Hardcastle, 영국 하트퍼드셔 대학),

에밀 랭(Emil Lenc, 호주 시드니 대학),

마크 버킨셔(Mark Birkinshaw, 영국 브리스톨 대학),
주디스 크로스톤(Judith Croston, 영국 사우스햄턴 대학),

조안나 구드거(Joanna Goodger, 영국 하트퍼드셔 대학),
허먼 마샬 (Herman Marshall, 매사추세츠 기술연구소),

에릭 펄만 (Eric Perlman, 플로리다 기술연구소),
아네타 시미기노브스카(Aneta Siemiginowska, 하바드-스미스소니언 천체물리센터),

루카스 스튜워즈(Lukasz Stawarz, 폴란드 야기엘로니안 대학),
다이애나 워럴(Diana Worrall, 브리스톨 대학).
 

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2016년 2월 2일 
         http://chandra.harvard.edu/photo/2016/pictora/

 

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

 

 

원문>

Pictor A: Blast from Black Hole in a Galaxy Far, Far Away

• A giant jet spanning continuously for over 300,000 light years is seen blasting out of the galaxy Pictor A.

 

• A new composite image shows this jet in X-rays (blue) and radio waves (red).

 

• In addition to the main jet, there is evidence for a jet moving in the opposite direction.

 

• Chandra observations at various times over a 15-year period provide new details of this impressive system.

 

The Star Wars franchise has featured the fictitious "Death Star," which can shoot powerful beams of radiation across space. The Universe, however, produces phenomena that often surpass what science fiction can conjure.

The Pictor A galaxy is one such impressive object. This galaxy, located nearly 500 million light years from Earth, contains a supermassive black hole at its center. A huge amount of gravitational energy is released as material swirls towards the event horizon, the point of no return for infalling material. This energy produces an enormous beam, or jet, of particles traveling at nearly the speed of light into intergalactic space.

To obtain images of this jet, scientists used NASA's Chandra X-ray Observatory at various times over 15 years. Chandra's X-ray data (blue) have been combined with radio data from the Australia Telescope Compact Array (red) in this new composite image.

By studying the details of the structure seen in both X-rays and radio waves, scientists seek to gain a deeper understanding of these huge collimated blasts.

The jet [to the right] in Pictor A is the one that is closest to us. It displays continuous X-ray emission over a distance of 300,000 light years. By comparison, the entire Milky Way is about 100,000 light years in diameter. Because of its relative proximity and Chandra's ability to make detailed X-ray images, scientists can look at detailed features in the jet and test ideas of how the X-ray emission is produced.

In addition to the prominent jet seen pointing to the right in the image, researchers report evidence for another jet pointing in the opposite direction, known as a "counterjet". While tentative evidence for this counterjet had been previously reported, these new Chandra data confirm its existence. The relative faintness of the counterjet compared to the jet is likely due to the motion of the counterjet away from the line of sight to the Earth.

The labeled image shows the location of the supermassive black hole, the jet and the counterjet. Also labeled is a "radio lobe" where the jet is pushing into surrounding gas and a "hotspot" caused by shock waves - akin to sonic booms from a supersonic aircraft - near the tip of the jet.

The detailed properties of the jet and counterjet observed with Chandra show that their X-ray emission likely comes from electrons spiraling around magnetic field lines, a process called synchrotron emission. In this case, the electrons must be continuously re-accelerated as they move out along the jet. How this occurs is not well understood

The researchers ruled out a different mechanism for producing the jet's X-ray emission. In that scenario, electrons flying away from the black hole in the jet at near the speed of light move through the sea of cosmic background radiation (CMB) left over from the hot early phase of the Universe after the Big Bang. When a fast-moving electron collides with one of these CMB photons, it can boost the photon's energy up into the X-ray band.

The X-ray brightness of the jet depends on the power in the beam of electrons and the intensity of the background radiation. The relative brightness of the X-rays coming from the jet and counterjet in Pictor A do not match what is expected in this process involving the CMB, and effectively eliminate it as the source of the X-ray production in the jet.

A paper describing these results will be published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society and is available online. The authors are Martin Hardcastle from the University of Hertfordshire in the UK, Emil Lenc from the University of Sydney in Australia, Mark Birkinshaw from the University of Bristol in the UK, Judith Croston from the University of Southampton in the UK, Joanna Goodger from the University of Hertfordshire, Herman Marshall from the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, MA, Eric Perlman from the Florida Institute of Technology, Aneta Siemiginowska from the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, MA, Lukasz Stawarz from Jagiellonian University in Poland and Diana Worrall from the University of Bristol.

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.

 

Fast Facts for Pictor A:
Credit	X-ray: NASA/CXC/Univ of Hertfordshire/M.Hardcastle et al., Radio: CSIRO/ATNF/ATCA
Release Date	February 2, 2016
Scale	Image is 10 arcmin across (about 1.4 million light years)
Category	Quasars & Active Galaxies
Coordinates (J2000)	RA 05h 19m 49.70s | Dec -45° 46' 45"
Constellation	Pictor
Observation Date	14 pointings between Jan 2000 and Jan 2015
Observation Time	128 hours 53 min (5 days 8 hours 53 min)
Obs. ID	346, 3090, 4369, 12039, 12040, 11586, 14357, 14221, 15580, 15593, 14222, 14223, 16478, 17574
Instrument	ACIS
References	Hardcastle, M. et al., 2016, MNRAS, 455, 3526; arXiv:1510.08392
Color Code	X-ray (Blue), Radio (Red)

Distance Estimate

About 480 million light years (z=0.035)