블랙홀에 비처럼 쏟아져 내리는 차가운 우주 공간의 가스들

 

Credit:NRAO/AUI/NSF; Dana Berry/SkyWorks; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

그림 1> 이 상상화에 묘사되어있는 바와 같이 우주적 일기예보는 가장 밝은 은하단 은하 Abell 2597 주위에서 차가운 분자 가스가 압축되어 구름이 형성되고 있음을 예보하고 있다.

뜨거운 이온화 가스로부터 응축된 이 구름은 은하단 내 은하 사이 공간을 가득 채우고 있다.

이번에 새로 수행된 ALMA 관측 데이터는 이 구름들로부터 은하로 비처럼 쏟아져내리는 가스가 그 중심에 있는 초거대질량 블랙홀에까지 흘러들어가고 있음을 보여주고 있다.

 

천문학자들로 구성된 국제연구팀이 ALMA를 이용하여 예전에는 전혀 목격된 바가 없는 우주적 기후 이벤트를 포착해냈다.
그 이벤트란 탑처럼 솟아있는 은하간 우주공간의 가스구름뭉치에서 거대한 은하 중심의 초거대질량블랙홀로 가스가 비처럼 떨어져 내리고 있는 광경이다.
이 은하는 지구로부터 10억광년 거리에 위치하고 있다.
이번 연구 결과는 2016년 6월 9일 네이처 지에 개재되었다.

 

은하 사이 우주공간의 뜨거운 가스로부터 떨어져나온 가스들이 차가운 고밀도의 가스 구름으로 뭉쳐질 수 있으며, 은하의 중심부로 추락하면서 은하의 중심에 자리잡고 있는 초거대질량 블랙홀의 먹이가 된다는 것이 직접적으로 관측되었다.

이번 관측을 통해 이른바 강착(accretion)이라고 알려진 초거대질량 블랙홀의 식생 활동에 대한 천문학자들의 관점이 재구축되었다.

 

이전까지 천문학자들은 몸집이 큰 은하에 있는 초거대질량 블랙홀이 은하의 헤일로로부터 이온화된 뜨거운 가스를 천천히, 그리고 지속적으로 삼키고 있다고 생각했었다.

 

그런데 이번 새로운 ALMA 관측에 따르면 은하간 우주공간의 조건이 맞아떨어질 때, 대단히 낮은 온도의 거대한 분가 가스 구름을 블랙홀이 덩어리째 빨아들일 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
 
이번 논문의 주저자인 전임 ESO 연구원이자, 예일대학의 천문학자 그랜트 트램블레이(Grant Tremblay)의 설명은 다음과 같다.
"최근 이러한 양상이 주요 이론을 통해 예측되긴 했지만 초거대질량의 블랙홀이 빨아들이는 차가운 가스구름의 비에 대한 관측적 증거가 명확하게 밝혀진 것은 이번이 처음입니다.
태양질량의 3억배에 달하는 초거대질량의 블랙홀과 이 블랙홀에 빨려들어가고 있는 은하만큼이나 넓게 퍼져 있는 폭풍을 우리가 관측할 수 있다는 것은 정말 흥분되는 일입니다."
 

트램블레이와 팀원들은 ALMA를 이용하여 아벨 2597 (Abell 2597)이라 부르는, 50여개 은하가 몰려 있는 독특하게 밝은 은하단을 엿보았다.
중심에 있는 무거운 타원은하는 '아벨 2597에서 가장 밝은 은하단 은하(the Abell 2597 Brightest Cluster Galaxy)'라 부른다.

 

이곳에서 은하들 사이의 우주공간은 희뿌연 초고온의 이온화 가스로 뒤덮혀 있다.
이 이온화 가스의 존재는 예전에 NASA의 찬드라 X선 망원경으로 관측된 바 있다.

 

트램블레이의 설명은 다음과 같다.
"이 엄청나게 뜨거운 가스는 마치 지구 대기에서 고온다습한 공기가 비구름을 만들어 비로 쏟아져내리듯이 대단히 빠르게 식으면서 서로 뭉쳐질 수 있습니다.
이렇게 새로 응축된 구름은 은하를 향해 쏟아져내리죠. 이 와중에 새로운 별 생성의 연료를 공급하는 한편 초거대질량의 블랙홀에도 먹이를 공급해주죠."

 

은하의 중심 부근에서 과학자들은 딱 다음에 맞는 시나리오를 발견했다.

 

3개의 거대한 질량을 가진 차가운 가스 덩어리들이 은하 중심에 있는 초거대질량의 블랙홀을 향해 시속 100만 킬로미터의 속도로 쏟아져내리고 있다.

 

각 덩어리는 태양의 1백만 배에 달하는 상당한 질량을 가지고 있으며 그 폭은 10광년에 달한다.
일반적으로 이정도 크기에, 이처럼 멀리 떨어져 있는 천체들은 ALMA의 최첨단 분해능으로도 구분이 쉽지 않다.

그러나 이 천체의 경우는 지구를 향해 드리우는 10억 광년 길이의 그림자에 의해 그 정체를 밝혀낼 수 있었다. [1]

 

Credit:NRAO/AUI/NSF; Dana Berry/SkyWorks; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

그림 2> 천문학자들은 Abell 2597의 가장 밝은 은하단 은하 중심의 깊숙한 곳에서 중심 블랙홀로 비처럼 쏟아져내리고 있는 거대한 가스구름들의 뭉치를 목격하였다.

이들의 존재는 지구를 향해 드리우고 있는 십억 광년 길이의 그림자를 통해 드러났다.

이번 ALMA의 관측 데이터는 초거대질량 블랙홀에 차가운 가스가 매우 혼란스럽게 강착된다는 이론에 대한 관측적 증거를 처음으로 제시한 사례이다.

 

Credit:B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)/G. Tremblay et al./NASA/ESA Hubble/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

 

사진1> 푸른 빛의 배경 사진은 허블우주망원경이 촬영한 것이다.

앞쪽으로 보이는 붉은 색의 데이터는 ALMA가 관측한 것으로서 은하 주위 일산화탄소 가스의 분포를 보여주고 있다.

상단 네모 상자는 ALMA 데이터가 포착한 "그림자"를 보여주고 있다.
이 그림자는 초거대질량 블랙홀이 만들어내는 강력한 자기장 주변으로 빠른 속도로 날아다니는 전자의  밀리미터 파장 복사가 흡수되면서 만들어진 것이다.

이 그림자가 바로 차가운 분자가스 구름이 블랙홀에 비처럼 내리고 있음을 말해주는 근거가 된다.

 

국립과학재단의 초장기선배열(Very Long Baseline Array)이 관측한 추가 관측 데이터는 ALMA에 의해 관측된 이 가스구름이 중심 블랙홀로부터 떨어져 있는 거리가 고작 300광년밖에 되지 않았으며 한쪽 측면이 블랙홀에 의해 빨려들어가면서 심하게 흔들리고 있는 상태임을 알려주었다.

 

ALMA가 관측할 수 있는 가스구름은 블랙홀 근처 3개의 차가운 가스구름이 전부이지만 천문학자들은 바로 근방에 비슷한 구름이 천여 개에 육박하여 오랫동안 블랙홀에 에너지를 주입할 수 있을 것으로 추측하고 있다.

 

현재 천문학자들은 ALMA를 이용하여 또다른 은하에서 이와 같은 가스의 폭풍우를 찾기 위해 노력하고 있다.
이를 통해 이러한 우주적 기상 현상이 이론적인 예측수치에서 제시되고 있는바와 같이 일반적인 사례인지, 아니면 이번에만 목격된 특별한 사례인지를 밝혀낼 것이다.

 

각주
[1] 이 그림자는 초거대질량 블랙홀 주위의 자기장에 전자가 빨려들어가면서 방출해내는 밀리미터 파장의 밝은 배경복사가 은하를 향해 추락하는 가스구름에 차단되면서 만들어진 것이다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 6월 8일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1618/

 

참고 : Abell 2597을 비롯한 다양한 은하단 및 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 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

 

원문>

eso1618 — Science Release

Black Hole Fed by Cold Intergalactic Deluge

8 June 2016

 

An international team of astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has witnessed a cosmic weather event that has never been seen before — a cluster of towering intergalactic gas clouds raining in on the supermassive black hole at the centre of a huge galaxy one billion light-years from Earth. The results will appear in the journal Nature on 9 June 2016.

The new ALMA observation is the first direct evidence that cold dense clouds can coalesce out of hot intergalactic gas and plunge into the heart of a galaxy to feed its central supermassive black hole. It also reshapes astronomers’ views on how supermassive black holes feed, in a process known as accretion.

Previously, astronomers believed that, in the largest galaxies, supermassive black holes fed on a slow and steady diet of hot ionised gas from the galaxy’s halo. The new ALMA observations show that, when the intergalactic weather conditions are right, black holes can also gorge on a clumpy, chaotic downpour of giant clouds of very cold molecular gas.

“Although it has been a major theoretical prediction in recent years, this is one of the first unambiguous pieces of observational evidence for a chaotic, cold rain feeding a supermassive black hole,” said Grant Tremblay, an astronomer with Yale University in New Haven, Connecticut, USA, former ESO Fellow, and lead author on the new paper. “It’s exciting to think we might actually be observing this galaxy-spanning rainstorm feeding a black hole whose mass is about 300 million times that of the Sun.”

Tremblay and his team used ALMA to peer into an unusually bright cluster of about 50 galaxies, collectively known as Abell 2597. At its core is a massive elliptical galaxy, descriptively named the Abell 2597 Brightest Cluster Galaxy. Suffusing the space between these galaxies is a diffuse atmosphere of hot ionised gas, which was previously observed with NASA’s Chandra X-ray Observatory.

"This very, very hot gas can quickly cool, condense, and precipitate in much the same way that warm, humid air in Earth's atmosphere can spawn rain clouds and precipitation," Tremblay said. "The newly condensed clouds then rain in on the galaxy, fueling star formation and feeding its supermassive black hole."

Near the centre of this galaxy the researchers discovered just this scenario: three massive clumps of cold gas are careening toward the supermassive black hole in the galaxy’s core at about a million kilometres per hour. Each cloud contains as much material as a million Suns and is tens of light-years across.

Normally, objects on that scale would be difficult to distinguish at these cosmic distances, even with ALMA’s amazing resolution. They were revealed, however, by the billion-light-year-long “shadows” they cast toward Earth [1].

Additional data from the National Science Foundation’s Very Long Baseline Array indicate that the gas clouds observed by ALMA are only about 300 light-years from the central black hole, essentially teetering on the edge of being devoured, in astronomical terms.

While ALMA was only able to detect three clouds of cold gas near the black hole, the astronomers speculate that there may be thousands like them in the vicinity, setting up the black hole for a continuing downpour that could fuel its activity for a long time.

The astronomers now plan to use ALMA to search for these "rainstorms" in other galaxies in order to determine whether such cosmic weather is as common as current theory suggests it might be.

Notes

[1] The shadows are formed when the in-falling opaque gas clouds block out a portion of the bright background millimetre-wavelength light emitted by electrons spiraIling around magnetic fields very near the central supermassive black hole.

More information

This research was presented in a paper entitled “Cold, clumpy accretion onto an active supermassive black hole”, by Grant R. Tremblay et al., to appear in the journal Nature on 9 June 2016.

The team is composed of Grant R. Tremblay (Yale University, New Haven, Connecticut, USA; ESO, Garching, Germany), J. B. Raymond Oonk (ASTRON, Netherlands Institute for Radio Astronomy, Dwingeloo, the Netherlands; Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, the Netherlands), Françoise Combes (LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University, College de France, CNRS, Sorbonne University, Paris, France), Philippe Salomé (LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University, College de France, CNRS, Sorbonne University, Paris, France), Christopher O’Dea (University of Manitoba, Winnipeg, Canada; Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, USA), Stefi A. Baum (University of Manitoba, Winnipeg, Canada; Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, USA), G. Mark Voit (Michigan State University, East Lansing, Michigan, USA), Megan Donahue (Michigan State University, East Lansing, Michigan, USA), Brian R. McNamara (Waterloo University, Waterloo, ontario, Canada), Timothy A. Davis (Cardiff University, Cardiff, United Kingdom; ESO, Garching, Germany), Michael A. McDonald (Kavli Institute for Astrophysics & Space Research, MIT, Cambridge, Massachusetts, USA), Alastair C. Edge (Durham University, Durham, United Kingdom), Tracy E. Clarke (Naval Research Laboratory Remote Sensing Division, Washington DC, USA), Roberto Galván-Madrid (Instituto de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM, Morelia, Michoacan, Mexico; ESO, Garching, Germany), Malcolm N. Bremer (University of Bristol, Bristol, United Kingdom), Louise O. V. Edwards (Yale University, New Haven, Connecticut, USA), Andrew C. Fabian (Institute of Astronomy, Cambridge University, Cambridge, United Kingdom), Stephen Hamer (LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University, College de France, CNRS, Sorbonne University, Paris, France) , Yuan Li (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA ), Anaëlle Maury (Laboratoire AIMParis-Saclay, CEA/DSM/Irfu CNRS, University Paris Diderot, CE-Saclay, Gif-sur-Yvette, France), Helen Russell (Institute of Astronomy, Cambridge University, Cambridge, United Kingdom), Alice C. Quillen (University of Rochester, Rochester, New York, USA), C. Megan Urry (Yale University, New Haven, Connecticut, USA), Jeremy S. Sanders (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Germany), and Michael Wise (ASTRON, Netherlands Institute for Radio Astronomy, Dwingeloo, the Netherlands).

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of 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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ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

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