NGC 1600 : 예상치 못한 곳에서 발견된 거대질량의 블랙홀

 

Credit: NASA, ESA, and C.-P. Ma (University of California, Berkeley),  Acknowledgment: Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, UKSTU/AAO, and A. Quillen (University of Rochester)

 

사진 1> DSS(the Digitized Sky Survey)에 의해 촬영된 이 사진에서 한 가운데에 있는 무거운 타원은하는 우주에서 은하가 그다지 많지 않은, 한산한 지역에 자리잡고 있는 은하이다.

NGC 1600 이라 불리는 은하의 확대 사진이 네모 상자에 담겨 있다. 
이 확대 사진은 허블우주망원경에 장착된 근적외선 카메라 및 다중분광기(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, 이하 NICMOS)에 의해 근적외선에서 촬영된 것이다.

NGC 1600의 중심부에는 가장 무거운 블랙홀 중 하나가 감춰져 있다.

태양 질량의 170억배에 달하는 이 거대한 규모의 블랙홀이 위치하고 있는 곳은 일반적으로 예상되었던 장소가 아니다.

태양 질량 대비 100억 배 이상에 해당하는 초거대질량의 블랙홀 중에서도 가장 큰 규모에 해당하는 블랙홀들은 일반적으로 은하들이 많이 몰려 있는 지역에서 그나마 몸집이 큰 은하들의 중심에서 발견된다.

그러나 이 블랙홀은 우주의 한산한 시골마을에서 발견되었다.

천문학자들은 이 블랙홀이 이웃 은하들과 여러차례 충돌하면서 어마어마한 가스를 집어삼켜 몸집을 불렸을 것으로 추정하고 있다.

또한 이 블랙홀은 다른 은하의 블랙홀과도 충돌합병을 했을 것이다.

이러한 사건이 반복적으로 일어났다면 왜 NGC 1600 주변에 은하가 별로 없는지 설명될 수 있다.

NGC 1600 은 2억 9백만 광년 거리에 자리잡고 있다.

위 사진에서 NICMOS가 촬영한 확대 사진은 1998년 11월 10일 촬영된 것이다.

 

천문학자들이 초거대질량의 블랙홀로는 가까운 거리의 기록을 갱신한 블랙홀을 발견하였다.
태양의 170억 배의 질량을 가지고 있는 이 블랙홀은 은하가 별로 존재하지 않는 지역에 외따로 떨어져 있는 한 은하의 중심에서 발견된 것으로 거대 질량의 블랙홀로서는 예상치 못한 곳에서 발견된 것이다.
 
허블우주망원경과 하와이의 제미니 망원경에 의해 수행된 관측에 따르면 이 거대한 질량의 괴물들은 생각보다 훨씬 더 일반적으로 존재하는 것일 수 있다.

 

태양질량 대비 100억 배 이상의 질량을 가지고 있는 가장 거대한 질량을 자랑하는 블랙홀들은 은하가 밀도높게 존재하는 지역에서도 가장 큰 몸집을 자랑하는 은하의 중심에서 주로 발견되었다.

 

사실 현재 가장 무거운 질량 기록을 보유하고 있는 블랙홀은 태양질량 대비 210억배의 질량을 가진 블랙홀로서, 이 블랙홀을 품고 있는 은하는 은하가 무려 1,000개 이상이 몰려 있는 머리털자리 은하단에 자리잡고 있다.

근거리 우주에서 가장 거대한 질량을 가지고 있는 은하와 초거대질량의 블랙홀에 대한 연구를 진행 중인 매시브 서베이(the MASSIVE Survey)의 책임자이자
이번 발견을 이끈 캘리포니아-버클리 대학의 천문학자 마 청페이(Chung-Pei Ma)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 새로 발견된 거대규모의 블랙홀은 NGC 1600이라는 무거운 타원은하의 중심에 자리잡고 있습니다.
이 은하는 우주의 외딴 시골이라 할 수 있는, 고작 20여개의 은하들이 모여 있는 곳에 위치하고 있죠."
 

 

사진 2> NGC 1600   Credit: Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO

 

거대한 규모의 블랙홀은 무거운 은하들이 많이 몰려 있는 지역에서 가능할 것으로 예측되었었다.
이는 맨하튼에서 고층 건물을 만날 확률이 훨씬 큰 것과 같은 것이다.
우주에서도 은하가 적게 있는 곳이라면 원하는 은하를 찾는 것은 쉽지 않을 것이다.

 

마 청페이의 설명은 다음과 같다.
"일반적인 크기의 은하군에서 NGC 1600 과 같은 크기의 은하는 거의 존재하지 않습니다.
그러나 우리 예측에 따르면 이처럼 비교적 작은 은하군은 머리털자리 은하단과 같은 거대한 규모의 은하단보다 우주에 50배는 더 많이 존재할 것으로 보입니다.
따라서 이제 우리에게 주어지는 질문은 '과연 이것이 빙산의 일각을 말해주는 것인가?'하는 것입니다.
만약 그렇다면 어마어마한 은하들이 몰려 있는 은하단에 살지 않는 거대한 규모의 블랙홀이 훨씬 더 많다는 것을 의미하는 것입니다. "
 
과학자들은 또한 이번에 발견한 은하의 질량 정도에서 예측가능한 것보다 10배나 더 무거운 블랙홀이 발견되었다는데 놀라지 않을 수 없었다.

블랙홀에 대한 예전 허블 관측 데이터를 기반으로 천문학자들은 블랙홀의 질량과 해당 블랙홀을 품고 있는 은하의 중심 팽대부 질량간의 상관성, 즉 은하의 팽대부가 클수록 보다 무거운 블랙홀이 있다는 점을 규명해왔다.

그러나 NGC 1600의 경우 거대한 블랙홀의 질량이 상대적으로 빈약한 팽대부의 질량을 훨씬 더 볼품없게 만들고 있었다. 

마 청페이는 블랙홀의 질량이 은하의 질량에서 상당부분을 차지하고 있는 극단적으로 무거운 질량을 가진 블랙홀에서는 블랙홀의 질량과 팽대부 질량의 상관 관계가 잘 들어맞지 않는 것 같다고 말했다. 
 
마 청페이와 동료들은 에리다누스강자리 방향으로 지구로부터 2억 광년 거리에 위치하는 블랙홀의 발견을 지난 4월 6일, 네이처지를 통해 보고하였다.

논문의 주 저자는 막스 플랑크 외계물리학 연구소의 옌스 토마스(Jens Thomas)이다.

블랙홀의 거대한 규모를 설명하는 한 가지 가설은 은하간의 상호작용이 좀더 자주 일어났던 오랜 옛날 이 블랙홀이 다른 블랙홀과 병합되어 만들어졌다는 것이다.

 

두 개의 은하가 충돌하게 되면 각 은하의 중심에 있던 블랙홀들은 새로운 은하의 중심에 자리를 잡고 서로 공전하게 된다.

이렇게 형성된 이중 블랙홀 근처로 추락하는 별들은 그 속도와 궤적에 따라 이중 블랙홀로부터 운동량을 빼앗아 은하의 중심으로부터 탈출하기에 충분한 속도를 얻을 수도 있게 된다.

이러한 중력 상호작용은 이중 블랙홀을 형성하고 있는 각 블랙홀들의 운동량을 떨어뜨려 점점 접근하게 만들고 결국 하나로 합쳐지면서 훨씬 더 거대한 블랙홀을 형성하게 되는 것이다.

초거대질량의 블랙홀은 은하간의 충돌에 의해 중심으로 추락해 들어오는 가스들을 눈깜짝할 사이에 먹어치우며 지속적으로 몸집을 키우게 된다.

마 청페이의 이 초거대질량의 블랙홀이 극단의 질량에 도달하기 위해서는 엄청난 양의 가스를 집어 삼키는 시기를 거쳐야 했을 것이라고 말했다.

 

NGC 1600 이 자주 무언가 먹어치워야 했다면 이는 왜 이 은하가 얼마 안되는 이웃 은하들만을 거느린 소도시에 자리잡고 있는지를 설명해주는 이유가 될 수도 있다.

 

NGC 1600은 은하군의 터줏대감이 되는 은하이며  다른 이웃 은하들에 비해 최소한 3배 이상 밝은 상태이다.

다른 은하군에서 가장 밝은 은하와 그 다음으로 밝은 은하간에 이처럼 큰 밝기 차가 나타나는 것은 매우 드문 일이라고 마 청페이는 말했다.

은하 가스의 대부분은 오래전 블랙홀이 엄청난 빛을 쏟아내는 퀘이사였던 때 블랙홀로 추락해 들어오는 물질들이 뜨겁게 가열되어 플라즈마로 빛을 뿜어내며 소진되었다.

 

마 청페이의 설명은 다음과 같다.
"이제 블랙홀은 잠든 거인이 된 상태입니다.
이 블랙홀을 찾을 수 있는 유일한 방법은 근처를 돌며 블랙홀의 중력을 강하게 받고 있는 별들의 속도를 측정하는 것이죠.  

속도 측정치는 블랙홀의 질량이 얼마나 될 것인지를 예측할 수 있게 해 줍니다."
  
이러한 속도는 제미니 8미터 북반구 망원경에 장착된 제미니 다중 분광기(the Gemini Multi-Object Spectrograph, 이하 GMOS)에 의해 측정되었다.
이 망원경은 하와이 마우나케아에 위치하고 있다.

 

GMOS는 은하의 중심으로부터 온 빛을 분광학적으로 분해하여 이 별들이 중심으로부터 3천 광년 거리 범주 내에 위치하고 있는 별들임을 알아냈다.

이 별들 중 몇몇은 블랙홀 주변을 회전하며 충돌을 피하고 있다.

그러나 은하의 중심으로부터 비교적 직선의 궤도를 유지하며 움직이는 별들은 은하의 중심에 매우 위험한 거리까지 다가섰다가 내쳐지고 있음을 암시하는 것인데, 이는 이중블랙홀 때문일 가능성이 상당하다.

근적외선 카메라 및 다중 분광기(the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, 이하 NICMOS)에 의해 촬영된 허블우주망원경의 기존 축적 데이터들은 이렇게 밀쳐진 별들이 이중 블랙홀 때문일 것이라는 가설을 지지해주고 있다.

 

NICMOS의 사진들은 은하의 중심이 비정상적으로 희미하다는 것을 알려주고 있는데 이는 은하 중심과 가까운 곳에 별들이 거의 없다는 것을 말해주는 것이다.

별들이 고갈된 중심부는 무거운 은하를 중심에서 훨씬 더 밝은 빛을 뿜어내는 표준 타원은하들과는 구분되게 해 준다.

 

마 청페이와 동료들은 이 은하의 중심부에서 외곽으로 내쳐진 별의 질량이 태양 질량의 400억 배에 해당하는 것으로 추정하고 있다.
이는 우리 미리내 전체 원반의 질량과 맞먹는 수준이다.

 

Simulation Credit: NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Acknowledgment for Omega Centauri Image: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team, Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (University of California, Berkeley), and J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany)

 

사진 3> 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 만들어진 이 사진은 은하의 중심에 자리잡은 초거대 질량의 블랙홀을 묘사하고 있다.

검은 색으로 나타나는 지역은 블랙홀의 사건의 지평선을 의미하는데, 사건의 지평선이란 블랙홀의 중력에 붙잡혀 빛조차도 빠져나오지 못하는 한계선을 말한다.

블랙홀의 강력한 중력은 주위의 시공간을 마치 거울놀이동산의 구부러진 거울처럼 휘어놓는다.

그 뒤에 자리잡고 있는 별로부터 뿜어져나온 빛은 블랙홀을 스쳐지나가며 잡아늘여지는 한편 일부는 블랙홀로 빨려들어가버린다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 4월 6일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/12/

 

참고 : NGC 1600을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 아래 링크를 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 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-12

Behemoth Black Hole Found in an Unlikely Place

Astronomers have uncovered a near-record-breaking supermassive black hole, weighing 17 billion suns, in an unlikely place: in the center of a galaxy in a sparsely populated area of the universe. The observations, made by NASA's Hubble Space Telescope and the Gemini telescope in Hawaii, could indicate that these monster objects may be more common than once thought.

Until now, the biggest supermassive black holes — those roughly 10 billion times the mass of our sun — have been found at the cores of very large galaxies in regions of the universe packed with other large galaxies. In fact, the current record holder tips the scale at 21 billion suns and resides in the crowded Coma galaxy cluster, which consists of over 1,000 galaxies.

"The newly discovered supersized black hole resides in the center of a massive elliptical galaxy, NGC 1600, located in a cosmic backwater, a small grouping of 20 or so galaxies," said lead discoverer Chung-Pei Ma, a University of California-Berkeley astronomer and head of the MASSIVE Survey, a study of the most massive galaxies and supermassive black holes in the local universe. While finding a gigantic black hole in a massive galaxy in a crowded area of the universe is to be expected — like running across a skyscraper in Manhattan — it seemed less likely they could be found in the universe's small towns.

"There are quite a few galaxies the size of NGC 1600 that reside in average-size galaxy groups," Ma said. "We estimate that these smaller groups are about 50 times more abundant than spectacular galaxy clusters like the Coma cluster. So the question now is, ‘Is this the tip of an iceberg?' Maybe there are more monster black holes out there that don't live in a skyscraper in Manhattan, but in a tall building somewhere in the Midwestern plains."

The researchers also were surprised to discover that the black hole is 10 times more massive than they had predicted for a galaxy of this mass. Based on previous Hubble surveys of black holes, astronomers had developed a correlation between a black hole's mass and the mass of its host galaxy's central bulge of stars — the larger the galaxy bulge, the proportionally more massive the black hole. But for galaxy NGC 1600, the giant black hole's mass far overshadows the mass of its relatively sparse bulge. "It appears that that relation does not work very well with extremely massive black holes; they are a larger fraction of the host galaxy's mass," Ma said.

Ma and her colleagues are reporting the discovery of the black hole, which is located about 200 million light-years from Earth in the direction of the constellation Eridanus, in the April 6 issue of the journal Nature. Jens Thomas of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany, is the paper's lead author.

One idea to explain the black hole's monster size is that it merged with another black hole long ago when galaxy interactions were more frequent. When two galaxies merge, their central black holes settle into the core of the new galaxy and orbit each other. Stars falling near the binary black hole, depending on their speed and trajectory, can actually rob momentum from the whirling pair and pick up enough velocity to escape from the galaxy's core. This gravitational interaction causes the black holes to slowly move closer together, eventually merging to form an even larger black hole. The supermassive black hole then continues to grow by gobbling up gas funneled to the core by galaxy collisions. "To become this massive, the black hole would have had a very voracious phase during which it devoured lots of gas," Ma said.

The frequent meals consumed by NGC 1600 may also be the reason why the galaxy resides in a small town, with few galactic neighbors. NGC 1600 is the most dominant galaxy in its galactic group, at least three times brighter than its neighbors. "Other groups like this rarely have such a large luminosity gap between the brightest and the second brightest galaxies," Ma said.

Most of the galaxy's gas was consumed long ago when the black hole blazed as a brilliant quasar from material streaming into it that was heated into a glowing plasma. "Now, the black hole is a sleeping giant," Ma said. "The only way we found it was by measuring the velocities of stars near it, which are strongly influenced by the gravity of the black hole. The velocity measurements give us an estimate of the black hole's mass."

The velocity measurements were made by the Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) on the Gemini North 8-meter telescope on Mauna Kea in Hawaii. GMOS spectroscopically dissected the light from the galaxy's center, revealing stars within 3,000 light-years of the core. Some of these stars are circling around the black hole and avoiding close encounters. However, stars moving on a straighter path away from the core suggest that they had ventured closer to the center and had been slung away, most likely by the twin black holes.

Archival Hubble images, taken by the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS), support the idea of twin black holes pushing stars away. The NICMOS images revealed that the galaxy's core was unusually faint, indicating a lack of stars close to the galactic center. A star-depleted core distinguishes massive galaxies from standard elliptical galaxies, which are much brighter in their centers. Ma and her colleagues estimated that the amount of stars tossed out of the central region equals 40 billion suns, comparable to ejecting the entire disk of our Milky Way galaxy.

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Chung-Pei Ma
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510-301-3780
cpma@berkeley.edu

Jens Thomas
Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany
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