마카리안 1018 (Markarian 1018) : 찬란한 은하를 어둠속으로 몰고가는 굶주린 블랙홀

 

Credit:ESO/CARS survey

 

사진 1> ESO의 VLT에 장착되어 있는 MUSE에 의해 촬영된 이 사진은 활성은하 마카리안 1018의 모습을 보여주고 있다.
이 은하는 그 중심에 초거대질량의 블랙홀을 품고 있다.

이 은하를 둘러싸고 있는 희미한 빛의 고리는 머지 않은 과거에 은하들이 충돌하면서 만들어진 상호작용의 결과이다.

 

 

머나먼 은하의 한복판에 자리잡고 있는 초거대질량 블랙홀의 드물게 나타나는 변화의 수수께기가 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT) 및 허블우주망원경, 찬드라 X선 망원경을 이용한 국제 천문연구팀에 의해 풀렸다.

이 블랙홀은 주변을 환하게 밝히기 위해 필요한 연료가 더 이상 존재하지 않는 어려운 상황에 처해 있는 것으로 보인다.

 

 

많은 은하들에서 초거대질량의 블랙홀에 의해 에너지를 공급받아 대단히 강렬하게 빛나는 중심부를 볼 수 있다.

이러한 중심부는 우주에서 가장 밝게 빛나는 천체 중 하나인 "활성 은하"를 만든다.

활성은하들은 물질이 블랙홀로 추락하며 맹렬한 불꽃을 일으키는, '강착'이라는 이름으로 알려진 현상에 의해 밝게 빛나는 것으로 생각되고 있다.

이처럼 찬란하게 뿜어져나오는 빛의 특성은 활성은하마다 매우 광범위한 차이를 보인다.
따라서 천문학자들은 활성은하에서 복사되는 빛의 속성에 따라 이들을 여러 유형으로 분류하고 있다. [1]

그런데 이들 중 몇몇 은하들은 천문학적 견지에서 보면 정말 찰라의 순간에 지나지 않는 고작 10년 정도의 짧은 기간 중에 드라마틱한 변화를 보이기도 한다.

이번에 새로 연구된 활성은하 마카리안 1018(Markarian 1018)은 두 번의 유형변경을 겪으면서 지난 5년간 원래 분류되었었던 유형으로 다시 돌아온 은하가 되었다.

극히 소수의 은하에서만 이처럼 완벽한 순환구조의 변화가 관측되는데 이러한 은하에 대해서 이번처럼 상세한 연구가 이뤄진 적은 아직 없었다.

 

마카리안 1018의 변덕스러운 성격에 대한 발견은 활성은하핵을 가지고 있는 40개의 근거리 은하에 대해 정보를 모으고 있는 ESO와 다른 기관과의 협력 프로젝트인 근거리 활성은하핵 관측 서베이(the Close AGN Reference Survey, CARS)에서 우연히 이루어졌다.

 

VLT에 장착된 광시야분광관측기(the Multi-Unit Spectroscopic Explorer, MUSE)를 이용하여 마카리안 1018에 대한 일상적인 관측이 진행되던 중 은하에서 뿜어져나오는 빛의 놀라운 변화가 드러났던 것이다.

 

이번 논문의 주저자인 시드니대학 박사과정 학생이자 온하늘 천체물리학을 위한 최우수 ARC 센터(the ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics, CAASTRO)의 레베카 맥엘로이(Rebecca McElroy)는 마카리안 1018에서 나타난 희귀하고도 드라마틱한 변화에 아연실색하지 않을 수 없었다고 말했다.

이번 발견과 관련한 두 개의 논문 중 나머지 한 개 논문의 주저자인 CARS 프로젝트 리더 베른트 후스만(Bernd Husemann)에 따르면 밝기가 흐려지기 시작하자마자 이루어진 이 은하에 대한 우연한 관측은 이러한 은하의 행동을 유발하는 것이 무엇인지를 알 수 있는 예상치 못한 기회가 되었다고 한다.

 

베른트 후스만의 소감은 다음과 같다.
"우리는 운좋게도 빛의 감소가 나타나기 시작한지 고작 3-4년만에 이 은하를 관측할 수 있었습니다.
따라서 이런 기회가 아니라면 연구가 불가능한, 활성은하의 강착물리학에 대한 상세한 연구를 진행할 수 있는 모니터링 캠페인을 시작할 수 있게 되었죠."

 

연구팀은 이러한 기회를 십분활용하여 마카리안 1018의 밝기 변화를 광범위하게 유발시키는 과정에 최우선적으로 집중하고 있다.

 

이러한 사건은 여러가지 천체물리학적 사건에 의해 발생할 수 있다.
그러나 연구팀은 블랙홀이 어떤 별 하나를 끌어들여 이를 먹어치우는 경우[2]와 이 은하를 가로막고 선 가스에 의해 이러한 일이 발생할 수 있을 것이라는 가능성[3]은 가능한 원인에서 제외할 수 있었다.

그러나 마카리안 1018의 놀라운 변화양상을 이끈 진짜 원인은 첫번째 관측 회기의 결과로는 여전히 수수께끼로 남아 있었다.

하지만 연구팀은 허블우주망원경과 찬드라 X선 망원경의 관측시간을 할당받은 후 추가 데이터를 모을 수 있었다.

이 일련의 관측장비를 이용하여 새로운 데이터를 확보한 결과 결국 이 수수께끼가 풀릴 수 있었는데 이 은하의 밝기 감소는 강착 물질이 더 이상 발생하지 않으면서 블랙홀이 서서히 빛을 잃어가고 있기 때문인 것으로 밝혀졌다.

 

레베카 맥엘로이의 설명은 다음과 같다.
"블랙홀이 굶주리고 있는 것은 그 연료가 될 수 있는 물질들의 추락 과정이 방해받고 있기 때문일 가능성이 있습니다.
흥미로운 가능성은 이러한 일이 두번째 초거대질량 블랙홀과의 상호 과정 때문에 발생하는 것일 수 있다는 것입니다."

이중블랙홀은 마카리안 1018에서 확실히 가능성 있는 경우이다.
왜냐하면 이 은하는 두 개의 대형 은하가 충돌하여 만들어진 은하이기 때문이다.
충돌에 참여한 두 개 은하는 각각 저마다의 중심에 초거대질량의 블랙홀을 품고 있었을 가능성이 상당하다.

마카리안 1018과 같이 외양의 변화가 발생하고 있는 활성은하의 작용 메커니즘에 대한 연구는 계속되고 있다.

 

베른트 후스만의 소감은 다음과 같다.
"연구팀은 마카리안 1018을 다시 어둡게 만들고 있는 원인이 무엇인지를 알아내기 위해 빠르게 작업을 진행해야 했습니다.  
ESO의 망원경들과 또다른 관측 설비를 이용하여 지속되고 있는 모니터링 캠페인은 굶주림에 빠진 블랙홀과 활성은하의 변화 양상을 보다 상세하게 연구할 수 있도록 도와줄 것입니다."

 

Credit:ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

 

사진 2> 이 광대역 사진은 희미한 활성은하 마카리안 1018과 그 주변의 모습을 담고 있다.

이 사진은 DSS2의 일환으로 제작된 사진이다.

마카리안 1018은 사진 정중앙에 자리잡고 있다.
최근 은하간 충돌이 있었음을 말해주는 희미한 증거가 꼬리와 고리의 형태로 보인다.

 

 

Credit:ESO/IAU and Sky & Telescope

 

표1> 이 표는 크기는 크지만 희미한 별자리인 고래자리를 보여주고 있다.

표 상에 있는 대부분의 별들은 맨눈으로도 볼 수 있는 별들이며 희미한 활성은하 마카리안 1018의 위치는 붉은색 원으로 표시되어 있다.

이 은하는 너무나 희미해서 작은 망원경으로는 쉽게 찾아볼 수 없다.

 

 

 

Credit:ESO/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2/CARS survey

 

 

각주

 

[1] 가장 밝은 활성은하는 퀘이사이다. 
퀘이사의 빛은 은하의 나머지 부분에서 발생하는 빛을 압도한다. 
이보다는 덜 극단적인 밝기를 보이는 유형의 활성은하가 세이퍼트 은하이다. 
이러한 분류 방법은 원래, 밝기 및 서로 다른 파장에서 나타나는 복사선의 강도를 보여주는 분광스펙트럼을 이용하여 세이퍼트 은하를 1유형과 2유형의 2종류로 구분했었다.
그러나 오늘날에는 1.9 유형과 같은 새로운 분류가 등장하고 있다. 
    

[2] 이와 같은 중력조석작용에 의한 붕괴 사건은 떠돌이 별이 초거대질량 블랙홀에 지나치게 가깝게 접근하여 산산히 부서지게 될 때 발생한다. 
이 사건은 중심 지역의 밝기가 급격히 상승하는 결과를 만들어내며 향후 수년동안 점진적인 밝기 감소가 이어진다. 
하지만 마카리안 1018에서 관측된 밝기 변화는 이와 같은 사건에 의해 나타나는 양상과는 일치하지 않았다.

 

[3] 마치 자동차의 전조등을 안개가 가로막아 그 빛을 희미하게 만드는 것처럼 우주공간에 떠도는 먼지가 시선상에서 은하의 밝은 핵을 가로막아 활성은하의 분류에 영향을 미칠 수도 있다. 
이러한 현상은 은하의 스펙트럼에도 영향을 미치게 되어 은하의 분류 역시 다르게 만들수 있다.

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2016년 9월 15일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1631/

     
참고 : 마카리안 1018을 비롯한 은하 및 은하단에 대한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 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>

eso1631 — Science Release

Starving Black Hole Returns Brilliant Galaxy to the Shadows

15 September 2016

The mystery of a rare change in the behaviour of a supermassive black hole at the centre of a distant galaxy has been solved by an international team of astronomers using ESO’s Very Large Telescope along with the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA’s Chandra X-ray Observatory. It seems that the black hole has fallen on hard times and is no longer being fed enough fuel to make its surroundings shine.

Many galaxies are found to have an extremely bright core powered by a supermassive black hole. These cores make “active galaxies” some of the brightest objects in the Universe. They are thought to shine so brightly because hot material is glowing fiercely as it falls into the black hole, a process known as accretion. This brilliant light can vary hugely between different active galaxies, so astronomers classify them into several types based on the properties of the light they emit [1].

Some of these galaxies have been observed to change dramatically over the course of only 10 years; a blink of an eye in astronomical terms. However, the active galaxy in this new study, Markarian 1018 stands out by having changed type a second time, reverting back to its initial classification within the last five years. A handful of galaxies have been observed to make this full-cycle change, but never before has one been studied in such detail.

The discovery of Markarian 1018’s fickle nature was a chance by-product of the Close AGN Reference Survey (CARS), a collaborative project between ESO and other organisations to gather information on 40 nearby galaxies with active cores. Routine observations of Markarian 1018 with the Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) installed on ESO’s Very Large Telescope revealed the surprising change in the light output of the galaxy.

“We were stunned to see such a rare and dramatic change in Markarian 1018”, said Rebecca McElroy, lead author of the discovery paper and a PhD student at the University of Sydney and the ARC Centre of Excellence for All Sky Astrophysics (CAASTRO).

The chance observation of the galaxy so soon after it began to fade was an unexpected opportunity to learn what makes these galaxies tick, as Bernd Husemann, CARS project leader and lead author of one of two papers associated with the discovery, explained: “We were lucky that we detected the event just 3-4 years after the decline started so we could begin monitoring campaigns to study details of the accretion physics of active galaxies that cannot be studied otherwise.”

The research team made the most of this opportunity, making it their first priority to pinpoint the process causing Markarian 1018’s brightness to change so wildly. This could have been caused by any one of a number of astrophysical events, but they could rule out the black hole pulling in and consuming a single star [2] and cast doubt on the possibility of obscuration by intervening gas [3]. But the true mechanism responsible for Markarian 1018’s surprising variation remained a mystery after the first round of observations.

However, the team were able to gather extra data after they were awarded observing time to use the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and NASA’s Chandra X-ray Observatory. With the new data from this suite of instruments they were able to solve the mystery — the black hole was slowly fading because it was being starved of accretion material.

“It’s possible that this starvation is because the inflow of fuel is being disrupted”, said Rebecca McElroy. “An intriguing possibility is that this could be due to interactions with a second supermassive black hole”. Such a black hole binary system is a distinct possibility in Markarian 1018, as the galaxy is the product of a major merger of two galaxies — each of which likely contained a supermassive black hole in its centre.

Research continues into the mechanisms at work in active galaxies such as Markarian 1018 that change their appearance. “The team had to work fast to determine what was causing Markarian 1018’s return to the shadows,” comments Bernd Husemann. “Ongoing monitoring campaigns with ESO telescopes and other facilities will allow us to explore the exciting world of starving black holes and changing active galaxies in more detail.”

Notes

[1] The brightest of the active galaxies are quasars, where the brilliant nucleus outshines the rest of the galaxy. Another, less extreme, class are known as Seyfert galaxies. Originally a method was developed that used brightness and the emission spectrum — the plot of the strength of radiation emitted at different wavelength — to distinguish between just two types of Seyfert galaxies, Type 1 and Type 2, but extra classifications such as Type 1.9 Seyferts have since been introduced.

[2] Such a tidal disruption event occurs when a star strays too close to a supermassive black hole and is torn apart by the extreme gravitational tidal force. This results in a sharp rise in the brightness of the central region that slowly declines over a period of years. The observed brightness variations of Markarian 1018 were found not to match the profile of such an event.

[3] Gas obscuration can affect the classification of an active galaxy by blocking the line of sight, drifting in front of the galaxy’s bright core like fog in front of a car’s headlights, and dimming the light passing through. This also affects the spectrum of galaxy, perhaps changing its classification.

More information

This research was presented in two papers entitled “Mrk 1018 returns to the shadows after 30 years as a Seyfert 1”, and “What is causing Mrk 1018’s return to the shadows after 30 years?”, both to appear as Letters in the journal Astronomy & Astrophysics.

The team is composed of B. Husemann (ESO, Garching, Germany), T. Urrutia (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany), G. R. Tremblay (Yale Center for Astronomy and Astrophysics, New Haven, USA), M. Krumpe (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Germany), J. Dexter (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Germany), V. N. Bennert (Physics Department, California Polytechnic State University, USA), G. Busch (I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln, Germany), F. Combes (LERMA, Observatoire de Paris, France), S. M. Croom (Sydney Institute for Astronomy, Sydney, Australia & ARC Centre of Excellence for All-sky Astrophysics), T. A. Davis (School of Physics & Astronomy, Cardiff University, UK), A. Eckart (I. Physikalisches Institut Universität zu Köln, Germany; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), R. E. McElroy (Sydney Institute for Astronomy, Sydney, Australia & ARC Centre of Excellence for All-sky Astrophysics), M. Pérez-Torres (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spain), M. Powell (Yale Center for Astronomy and Astrophysics, New Haven, USA) and J. Scharwächter (Gemini Observatory, Northern Operations Center, Hawaii, USA).

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”.

Links

• Research paper 1
• Research paper 2
• Photos of the VLT
• CARS Survey

Contacts

Bernd Husemann
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6750
Email: bhuseman@eso.org

Rebecca McElroy
University of Sydney
Sydney, Australia
Tel: +61 421 882 513
Email: rebecca.mcelroy@sydney.edu.au

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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