NGC 1332 : 가장 정밀하게 측정된 초거대질량 블랙홀의 질량값

 

Credit: A. Barth (UCI), ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble; Carnegie-Irvine Galaxy Survey.

 

사진 1> NGC 1332를 촬영한 이 사진은 은하 중심의 초거대질량 블랙홀을 둘러싼 가스 원반의 모습을 보여주고 있다.

AMLA의 관측 데이터는 이 원반의 움직임을 추적하여 대단히 놀라운 정밀도로 측정해낸 블랙홀의 질량을 말해주고 있는데,  이번에 측정된 이 블랙홀의 질량은 태양 질량의 6억 6천만 배이다.
이 사진은 카네기-어빈 은하 탐사 프로그램(the Carnegie-Irvine Galaxy Survey)에 의해 촬영된 것이다.

상단 왼쪽의 네모 상자 사진은 허블우주망원경에 의해 촬영된 것으로 적외선으로 바라본 은하의 중심부를 보여주고 있다.
먼지가 가득한 은하 원반이 검은 그림자로 보이고 있다.
상단 오늘쪽 박스는 ALMA가 획득한 데이터로 구성된 것으로 은하원반의 회전 양상을 보여주고 있다.
바로 이 회전 양상을 통해 블랙홀의 질량을 측정할 수 있었다.
붉은색으로 보이는 지역은 가스가 우리로부터 멀어지는 방향으로 회전하면서 적색편이가 나타나는 지역이다. 
파란색으로 보이는 지역은 그 반대로 회전방향이 우리쪽으로 놓여져 청색편이가 나타나는 지역이다.
이 색깔의 편차는 이 먼지원반의 회전속도가 초속 500킬로미터 수준임을 말해주고 있다.

 

 

ALMA가 최상의 정확도로 블랙홀의 질량을 측정해내다.

 

태양질량의 수백만배에서 수십억배의 질량을 자랑하는 초거대질량의 블랙홀은 자신이 머물고 있는 은하의 심장부를 장악하고 있다.

이 초거대질량 블랙홀의 실제 질량을 측정하기 위해서는 블랙홀 주변을 돌고 있는 별과 가스구름에 미치는 중력의 강도를 측정해내야만 한다.

 

천문학자들로 구성된 연구팀이 ALMA를 이용하여 지근거리에 있는 타원은하를 놀랍도록 깊숙한 지점까지 탐구해냈다.
이를통해 은하 중심에 있는 초거대질량 블랙홀 주위를 돌고 있는 별사이 우주공간의 차가운 가스원반에 대한 움직임을 연구할 수 있었다.

 

이번 관측을 통해 미리내 바깥에 존재하고 있는 블랙홀 질량 측정치로는 가장 높은 정밀도의 질량 측정치를 얻을 수 있었으며 이 우주의 괴물들에 대한 규모를 설정하는데 도움을 얻게 되었다.

 

천체물리학 저널(the Astrophysical Journal)에 개재된 논문의 주저자이자 캘리포니아 대학의 천문학자 아론 바스(Aaron Barth)와 그의 동료들은 이번 연구 결과를 얻기 위해 NGC 1332의 중심 블랙홀 주위를 돌고 있는 일산화탄소 가스의 움직임을 측정하였다.

이 은하는 무거운 타원은하로서 남반구의 별자리인 에리다누스강자리 방향으로 지구로부터 7,300만 광년 거리에 위치하고 있다.

 

바스의 설명은 다음과 같다.
"블랙홀의 질량을 측정하는 것은 지구와 우주에 있는 가장 강력한 망원경을 이용하더라도 정말 어려운 일입니다.
ALMA는 초거대질량의 블랙홀 주변을 돌고 있는 차가운 가스를 관측하는데 있어 독보적인 능력을 가지고 있죠.
그래서 우리는 이 원반의 회전 속도에 미치는 블랙홀의 영향을 명확하게 구분해 볼 수 있었습니다."
 
ALMA를 이용한 관측으로, 16 광년 정도의 지름을 가진 이 원반 구조에 대한 상세한 내용을 알게 되었다.

 

연구원들은 또한 블랙홀로부터 반경 약 80광년의 폭으로 예측된 블랙홀의 '영향권'내에서 나타나는 원반의 회전양상도 측정하였다.
이 영향권은 블랙홀의 중력이 우세하게 나타나는 지역이다.

 

ALMA가 관측한 바에 따르면 이 원반의 중심부에서 가스가 움직이는 속도는 초속 500킬로미터 이상이다.

 

이 자료를 시뮬레이션을 통해 얻은 자료들과 비교함으로써 천문학자들은 NGC 1332의 중심부에 자리잡고 있는 블랙홀의 질량이 태양 질량의 6억 6천만배에서 플러스/마이너스 10퍼센트의 오차가 있는 것으로 계산해냈다.

 

이러한 질량 값은 미리내 중심에 자리잡고 있는 블랙홀 대비 약 150배에 해당하는 질량으로서, 현재까지 알려진 가장 거대한 블랙홀의 질량이 태양질량의 수십억배에 달한다는 점에서 볼 때, 상대적으로 중간 규모에 해당하는 값이다.

 

블랙홀이 여타 물질들에 끼치는 영향이 뒤섞인 측정치의 혼동을 피하기 위해 천문학자들은 ALMA를 이용한 근접 관측이 필수라고 말했다.
블랙홀 중력의 영향을 받는 여타 물질들은 별이나 별사이 우주공간의 가스 구름, 암흑물질 등, 은하의 전반적인 질량의 상당부분을 차지하는 물질들이다.

 

바스의 설명은 다음과 같다.
"블랙홀 자체만 놓고보면 그 질량은 은하의 모든 별을 합친 질량의 1퍼센트도 되지 않습니다.
은하를 구성하는 질량의 대부분은 암흑물질과 별의 형태로 존재합니다.
그리고 은하 전체라는 측면에서 놓고 보면 아무리 거대한 블랙홀이라도 은하 중심에 박혀 있는 작은 점에 지나지 않죠.
따라서 블랙홀이 끼치는 영향을 감지해 내는데 있어 핵심이 되는 것은 블랙홀의 인력이 우세한 영향력을 행사하고 있는 작은 영역에서 물질들의 움직임을 관측해 내는데에 있습니다." 
 
이번 관측은 ALMA의 관측 능력을 처음으로 대대적으로 알려준 관측이다.

 

천문학자들은 다양한 기법들을 활용하여  블랙홀의 질량을 측정한다.
그러나 이 모든 기법들은 하나같이 가능한한 블랙홀로부터 가까운 지역에 있는 물질들의 움직임을 추적하는데 기반을 두고 있다.

 

미리내의 경우 지상에 위치한 강력한 망원경들의 적응광학을 이용하여 미리내 중심에 있는 개개의 별들을 촬영해낼 수 있고 이들이 움직이는 궤적을 오랜 시간에 걸쳐 정확하게 추적할 수 있다.

그러나 상당한 정확성을 자랑하는 이러한 기술은 우리 미리내에 한해서만 적용가능한 기술이다.
다른 은하들의 중심에 자리잡고 있는 별들의 움직임을 개별적으로 추적하기에는 그 거리가 너무나도 멀다는 한계가 있는 것이다.

 

다른 은하들에서 유사한 측정을 해내기 위해 천문학자들은 해당 은하 중심지역에 있는 별들의 움직임을 총체적으로 파악하거나 가스원반과 자연적으로 형성된 라디오파 복사 지역인 메가 메이저의 움직임을 추적한다.

 

NGC 1332의 블랙홀에 대한 예전 연구는 지상과 우주에 있는 여타 망원경을 활용하여 이루어졌는데, 여기서 측정된 질량은 태양 질량의 5억 배에서 15억 배 사이로서 너무나도 큰 편차를 가지고 있었다.
AMLA의 관측 데이터는 이중에서  낮은 수치에 해당하는 값이 훨씬 더 정확한 값임을 확정해 주었다.

 

결정적으로 ALMA의 관측 데이터는 과거 수행된 어떠한 관측보다도 훨씬 높은 해상도를 보여주고 있다.

 

ALMA는 또한 원반에서 가장 밀도가 높고 가장 온도가 낮은 구성 성분들로부터 나오는 복사를 탐지해 내는데 이들은 블랙홀 주변에서 매우 질서있는 순환을 하고 있다.

 

과거에 수행된 블랙홀에 대한 여러 연구들은 허블우주망원경을 포함한 가시광선 망원경들을 이용하여 수행되었으며 은하의 중심 주위를 도는 뜨거운 이온화 가스에 초점을 맞추어 관측을 진행하였다.

이온화 가스 원반은 차가운 원반보다 훨씬더 격렬한 움직임을 보여주는데 그 결과 블랙홀 질량의 측정치는 그만큼 정확성이 더 낮아질 수밖에 없는 한계가 있었다.

 

캘리포니아 대학의 대학원생이며, 이번 논문의 공동저자인 벤자민 보이젤레(Benjamin Boizelle)의 소감은 다음과 같다.
"AMLA는 은하중심 가스원반의 회전을 허블우주망원경보다도 훨씬 높은 해상도로 포착해낼 수 있습니다.
이번 관측은 여러 은하들에서 대단히 높은 정확도로 초거대질량 블랙홀의 질량을 측정하는데 적용될 수 있는 기술을 잘 보여주고 사례라 할 수 있습니다."

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2016년 5월 5일자
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/2016-gr-domain-smbh

 

참고 : NGC 1332를 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>

5 May 2016

ALMA Measures Mass of Black Hole with Extreme Precision  

Supermassive black holes, some weighing millions to billions of times the mass of the Sun, dominate the centers of their host galaxies. To determine the actual mass of a supermassive black hole, astronomers must measure the strength of its gravitational pull on the stars and clouds of gas that swarm around it.

Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), a team of astronomers has delved remarkably deep into the heart of a nearby elliptical galaxy to study the motion of a disk of cold interstellar gas encircling the supermassive black hole at its center. These observations provide one of the most accurate mass measurements to date for a black hole outside of our Galaxy, helping set the scale for these cosmic behemoths.

To obtain this result, Aaron Barth, an astronomer at the University of California, Irvine, and lead author on a paper published in the Astrophysical Journal Letters, and his team used ALMA to measure the speed of carbon monoxide gas in orbit around the black hole at the center of NGC 1332, a massive elliptical galaxy approximately 73 million light-years from Earth in the direction of the southern constellation Eridanus.

"Measuring the mass of a black hole accurately is very challenging, even with the most powerful telescopes on Earth or in space," Barth said. "ALMA has the revolutionary ability to observe disks of cold gas around supermassive black holes at small enough scales that we can clearly distinguish the black hole's influence on the disk's rotational speed."

The ALMA observations reveal details of the disk's structure on the order of 16 light-years across. They also measure the disk's rotation well within the estimated 80 light-year radius of the black hole's "sphere of influence" – the region where the black hole's gravity is dominant.

Near the disk's center, ALMA observed the gas traveling at more than 500 kilometers per second. By comparing these data with simulations, the astronomers calculated that the black hole at the center of NGC 1332 has a mass 660 million times greater than our Sun, plus or minus ten percent. This is about 150 times the mass of the black hole at the center of the Milky Way, yet still comparatively modest relative to the largest black holes known to exist, which can be many billions of solar masses.

ALMA's close-in observations were essential, the researchers note, to avoid confounding the black hole measurement with the gravitational influence of other material – stars, clouds of interstellar gas, and dark matter – that comprises most of the galaxy's overall mass.

"This black hole, though individually massive, accounts for less than one percent of the mass of all the stars in the galaxy," noted Barth. "Most of a galaxy's mass is in the form of dark matter and stars, and on the scale of an entire galaxy, even a giant black hole is just a tiny speck in the center. The key to detecting the influence of the black hole is to observe orbital motion on such small scales that the black hole's gravitational pull is the dominant force." This observation is the first demonstration of this capability for ALMA.

Astronomers use various techniques to measure the mass of black holes. All of them, however, rely on tracing the motion of objects as close to the black hole as possible. In the Milky Way, powerful ground-based telescopes using adaptive optics can image individual stars near the galactic center and precisely track their trajectories over time. Though remarkably accurate, this technique is feasible only within our own Galaxy; other galaxies are too distant to distinguish the motion of individual stars. 

To make similar measurements in other galaxies, astronomers either examine the aggregate motion of stars in a galaxy's central region, or trace the motion of gas disks and mega-masers -- natural cosmic radio sources. 

Previous studies of NGC 1332 with ground- and space-based telescopes gave wildly different estimates for the mass of this black hole, ranging from 500 million to 1.5 billion times the mass of the Sun. 

The new ALMA data confirm that the lower estimates are more accurate. 

Crucially, the new ALMA observations have higher resolution than any of the past observations. ALMA also detects the emission from the densest, coldest component of the disk, which is in a remarkably orderly circular motion around the black hole. 

Many past black hole measurements made with optical telescopes, including the Hubble Space Telescope, focused on emission from the hot, ionized gas orbiting in the central regions of galaxies. Ionized-gas disks tend to be much more turbulent than cold disks, which leads to lower precision when measuring a black hole's mass.

"ALMA can map out the rotation of gas disks in galaxy centers with even sharper resolution than the Hubble Space Telescope," noted UCI graduate student Benjamin Boizelle, a co-author on the study. "This observation demonstrates a technique that can be applied to many other galaxies to measure the masses of supermassive black holes to remarkable precision."

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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Contacts:
Charles Blue, NRAO Public Information Officer
(434) 296-0314; cblue@nrao.edu

Brian Bell, UCI Communications Officer
(949) 824-8249; bpbell@uci.edu


Reference:

"Measurement of the black hole mass in NGC 1332 from ALMA observations at 0.044 arcsecond resolution," Aaron Barth et al., 2016, Astrophysical Journal Letters [http://apjl.aas.org]. Preprint [http://arxiv.org/abs/1605.01346]

Notes:
The team is composed of Aaron Barth (University of California, Irvine), Benjamin D. Boizelle (University of California, Irvine), Jeremy Darling (University of Colorado, Boulder), Andrew J. Baker (Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway), David A. Buote (University of California, Irvine), Luis Ho (Kavli Institute of Astronomy and Astrophysics, Peking University, China), and Jonelle L. Walsh (Texas A&M University, College Station).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the National Science Council of Taiwan (NSC) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

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