블랙홀이 물질을 집어삼키는 새로운 방법.

 

Credit:ESO/GASP collaboration

 

사진 1> ESO의 VLT를 이용한 해파리 은하들에 대한 관측 결과 초거대질량의 블랙홀에 에너지가 공급되는 새로운 유형이 밝혀졌다. 

이번에 규명된 새로운 메커니즘은 이 은하들에 "해파리"라는 별명을 붙게 만들어준 가스와 새로 탄생한 별들로 이루어진 촉수가 은하 중심 지역에까지 도달하면서 은하의 중심에 숨겨져 있는 블랙홀의 먹이가 되는 한편 이로인해 밝은 빛을 뿜어내게 만드는 원인이 되는 것으로 보인다. 

이 사진은 이번 연구 대상이 된 JO204라는 별명이 붙은 은하로서 은하로부터 뻗어나와 사진 왼쪽 하단으로 길게 늘어난 물질의 덩쿨이 선명하게 그 모습을 보여주고 있다. 

빨간색은 이온화 수소 가스로부터 발생하는 것이며 백색으로 보이는 지역은 이 은하에서 대부분의 별들이 몰려 있는 부분이다. 

사진에는 훨씬 더 멀리 떨어져 있는 은하들도 보인다. 

 

ESO 초거대망원경 (Very Large Telescope, 이하 VLT)으로 "해파리 은하들"을 관측한 결과 초거대질량의 블랙홀에 에너지가 공급되는 새로운 방식을 알 수 있게 되었다. 

이번에 규명된 새로운 메커니즘은 이 은하들에 "해파리"라는 별명을 붙게 만들어준 가스와 새로 탄생한 별들로 이루어진 촉수가 은하 중심 지역에까지 도달하면서 은하의 중심에 숨겨져 있는 블랙홀의 먹이가 되는 한편 이로인해 밝은 빛을 뿜어내게 만드는 원인이 되는 것으로 보인다. 

이번 연구 결과는 2017년 8월 16일 네이처지에 발표되었다. 

 

이탈리아 천문학자들이 이끄는 연구팀이 칠레 파라날 천문대의 VLT에 장착된 MUSE 를 이용하여 은하에서 어떻게 가스가 벗겨져 나가는지를 연구하였다. 

이들은 지근거리 은하단에 존재하는 해파리 은하들을 그 극단적인 예로 주목하였다. 

이들이 "해파리 은하"라 불리는 이유는 은하원반으로부터 촉수모양의 물질이 수만광년에 걸쳐 늘어져 있기 때문이다. [1][2]

 

이들 해파리 은하들의 촉수 구조는 이 은하들이 은하단 내에서 충차압(Ram Pressure)을 받는 과정에서 만들어진 것이다. 

 

은하간의 중력 상호작용에 의해 은하들은 빠른 속도로 은하단 쪽으로 추락하게 된다. 

이 와중에 은하들이 맞닥뜨리는 뜨겁고 밀도높은 가스들은 마치 강력한 폭풍처럼 작용하게 되고 은하 원반으로부터 가스가 마치 꼬리처럼 비어져나오게 만드는 원인이 된다. 

또한 이렇게 밀려나온 가스에서는 폭발적인 별의 생성이 촉발된다. 

 

이번 논문에서 다뤄진 7개 해파리 은하 중 6개 은하에서 그 중심에 주위의 가스를 먹어치우고 있는 초거대질량의 블랙홀이 발견되었다. [3]

 

이러한 비율은 예상치 않게 높은 비율에 속한다. 

대체로 은하에서 주위의 물질을 먹어치우고 있는 활성은하핵이 발견되는 비율은 10분의 1이 채 되지 않는다. 

 

연구팀의 책임자인 이탈리아 파도바 INAF-천문대의 비안카 포기안티(Bianca Poggianti) 의 설명은 다음과 같다.

"충차압에 따른 가스이탈 현상과 활성블랙홀 간의 강력한 연관 관계는 그 어떤 연구에서도 예견되지 않았던 현상이었습니다. 

 가스들이 은하 중심에 도달하게 되면서 은하에서 떨어져 나가기 보다는 중심에 자리잡고 있는 블랙홀에 집어삼켜지는 것으로 보입니다." [4]

 

천문학계에 오랫동안 남아 있는 질문 하나는 왜 은하 중심의 초거대질량의 블랙홀 중 극히 일부만이 활동성을 보이는가 하는 것이다. 

즉, 초거대질량의 블랙홀은 거의 모든 은하이 중심에 존재한다. 

그런데 왜 이중 극히 일부에서만 강착이 일어나고 밝은 빛을 뿜어내는 것일까?

 

이번 연구 결과가 이에 대한 직접적인 답을 제공하는 것은 아니지만 활성은하핵이 만들어지는 새로운 메커니즘을 보여준 데에서는 의미가 있다. 

 

ESO 연구원이자 이번 논문 작성에 참여한 야라 자페(Yara Jaffe)는 MUSE를 이용한 이번 관측을 통해 가스가 블랙홀 주변으로 빨려들어가는 기발한 메커니즘을 알게 되었다고 강조했다. 

 

초거대질량의 블랙홀과 이러한 블랙홀을 품고 있는 은하간의 상호관계에 대해서는 그다지 잘 알려져 있지 않다. 

이번 연구 결과가 중요한 것은 이러한 일천한 지식에 새로운 조각을 하나 더 제공해 주었다는 데에 있다. 

 

현재 진행 중인 관측은 훨씬 더 폭넓게 진행되고 있으며 훨씬 더 많은 수의 해파리 은하들에 대한 연구가 진행되고 있다. 

 

포기안티의 설명은 다음과 같다. 

"이번 연구가 완료되면 은하단으로 추락하는 은하들이 그 중심에서 활동성이 증가하게 되는 과정에 대해 많은 것들이 밝혀지게 될 것입니다. 

천문학에 있어서 풀리지 않는 질문 중 하나는 은하들이 어떻게 형성되고 어떻게 변화하면서 우주의 팽창과 진화를 만들어왔는가 하는 점입니다. 

드라마틱한 변화과정에 있는 해파리 은하들은 은하의 진화를 이해하는데 있어 핵심이 되는 은하들이라 할 수 있습니다."

 

 

Credit:ESO/GASP collaboration

 

사진 2> 이 사진은 이번 연구 대상이 된 JW100이라는 별명이 붙은 은하로서 은하로부터 뻗어나와 길게 늘어난 물질의 덩쿨이 선명하게 그 모습을 보여주고 있다. 

빨간색은 이온화 수소 가스로부터 발생하는 것이며 백색으로 보이는 지역은 이 은하에서 대부분의 별들이 몰려 있는 부분이다. 

 

Credit:ESO

 

사진3> 이 사진은 특정 해파리은하를 3차원으로 시각화한 것으로 일반적인 2차원 영상에 3차원 파장을 합성하여 만들어진 것이다. 

은하가 은하단으로 추락하여 뜨거운 가스층을 빠르게 통과하면서 충차압에 따른 가스 이탈 현상이 진행되고 있다.

그리고 이로인해 밀려난 가스와 갓태어난 어린 별들이 만든 흐름이 뒤쪽으로 꼬리를 만들어내고 있다. 

촉수와 같은 구조들이 사진에서 오른쪽으로 뻗어나오고 있는데 이들은 왼쪽에 보이는 은하원반에서 서로 다른 속도로 밀려나오고 있다. 

이 은하에 대한 상호반응형 3차원 영상은 다음의 링크를 참고하라. 

https://www.eso.org/public/products/models3d/JW100/

 

 

Credit:ESO/GASP collaboration

 

사진 4> 이 사진은 이번 연구 대상이 된 JW206이라는 별명이 붙은 은하로서 은하로부터 뻗어나와 길게 늘어난 물질의 덩쿨이 선명하게 그 모습을 보여주고 있다. 

빨간색은 이온화 수소 가스로부터 발생하는 것이며 백색으로 보이는 지역은 이 은하에서 대부분의 별들이 몰려 있는 부분이다.

 

 

각주 

 

[1] 지금까지 발견된 해파리 은하는 400개를 넘어서고 있다. 

 

[2] 이번 연구 결과는 GASP라는 이름의 관측 프로그램의 일환으로 만들어진 것이다. 

GSAP는 "MUSE를 이용한 은하에서의 가스이탈 현상 연구(GAs Stripping Phenomena in galaxies with MUSE)"의 약자로서 은하에서 어떻게 왜, 어디에서 가스가 빠져나가게 되는지 규명하는 것을 목적으로 하는 ESO의 대형 프로그램이다. 

GASP는 MUSE를 이용하여, 특별히 해파리 은하를 대상으로 다양한 환경을 보여주는 114개 은하에 대한 세밀한 데이터를 수집하였다. 

관측은 현재도 진행 중이다. 

 

[3] 모든 은하가 다 그런 것은 아니겠지만 거의 대부분의 은하가 태양 대비 수백만 배에서 수십억 배의 질량을 가지는 이른바 초거대질량의 블랙홀을 가지고 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 

이 블랙홀이 주위 물질들을 끌어당길 때 전자기 에너지를 복사하게 되는데 이 복사는 천체물리학적 현상 중 가장 강력한 현상 중 하나를 불러 일으키는 원인이 되며 이러한 현상이 발생하는 은하핵을 활성은하핵(active galactic nuclei, AGN)이라 부른다. 

 

[4] 연구팀은 또다른 가설로서 은하 중심의 활성은하핵이 은하로부터 가스를 밀어내는데 일정한 작용을 할 가능성에 대해서도 연구하였다. 

그러나 이는 그다지 가능성이 높지 않은 것으로 간주되고 있다. 

해파리 은하들의 위치가 은하단 내부에서도 뜨겁고 밀도높은 가스들이 몰려 있는 지역에 자리잡고 있다는 사실은 특별히 이 은하들의 기다란 촉수구조를 만들어지는데 주위 환경이 영향을 미쳤을 것으로 생각되며 그렇다면 이러한 촉수구조들이 활성은하핵에 의해 만들어졌을 가능성은 상당히 줄어든다. 

따라서 충차압에 따른 가스이탈 현상이 활성은하핵을 만들어낸다는 강력한 증거가 될지언정 그 반대는 성립되지 않는다. 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Science Release  2017년 8월 17일자 

        http://www.eso.org/public/news/eso1725/     

         

참고 : JO204, JW100, JW206을 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하군 : https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 : https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

원문>

eso1725 — Science Release

Supermassive Black Holes Feed on Cosmic Jellyfish

ESO’s MUSE instrument on the VLT discovers new way to fuel black holes

16 August 2017

Observations of “Jellyfish galaxies” with ESO’s Very Large Telescope have revealed a previously unknown way to fuel supermassive black holes. It seems the mechanism that produces the tentacles of gas and newborn stars that give these galaxies their nickname also makes it possible for the gas to reach the central regions of the galaxies, feeding the black hole that lurks in each of them and causing it to shine brilliantly. The results appeared today in the journal Nature.

An Italian-led team of astronomers used the MUSE (Multi-Unit Spectroscopic Explorer) instrument on the Very Large Telescope (VLT) at ESO’s Paranal Observatory in Chile to study how gas can be stripped from galaxies. They focused on extreme examples of jellyfish galaxies in nearby galaxy clusters, named after the remarkable long “tentacles” of material that extend for tens of thousands of light-years beyond their galactic discs [1][2].

The tentacles of jellyfish galaxies are produced in galaxy clusters by a process called ram pressure stripping. Their mutual gravitational attraction causes galaxies to fall at high speed into galaxy clusters, where they encounter a hot, dense gas which acts like a powerful wind, forcing tails of gas out of the galaxy’s disc and triggering starbursts within it.

Six out of the seven jellyfish galaxies in the study were found to host a supermassive black hole at the centre, feeding on the surrounding gas [3]. This fraction is unexpectedly high — among galaxies in general the fraction is less than one in ten.

“This strong link between ram pressure stripping and active black holes was not predicted and has never been reported before,” said team leader Bianca Poggianti from the INAF-Astronomical Observatory of Padova in Italy. “It seems that the central black hole is being fed because some of the gas, rather than being removed, reaches the galaxy centre.” [4]

A long-standing question is why only a small fraction of supermassive black holes at the centres of galaxies are active. Supermassive black holes are present in almost all galaxies, so why are only a few accreting matter and shining brightly? These results reveal a previously unknown mechanism by which the black holes can be fed.

Yara Jaffé, an ESO fellow who contributed to the paper explains the significance: “These MUSE observations suggest a novel mechanism for gas to be funnelled towards the black hole’s neighbourhood. This result is important because it provides a new piece in the puzzle of the poorly understood connections between supermassive black holes and their host galaxies.”

The current observations are part of a much more extensive study of many more jellyfish galaxies that is currently in progress.

“This survey, when completed, will reveal how many, and which, gas-rich galaxies entering clusters go through a period of increased activity at their cores,” concludes Poggianti. “A long-standing puzzle in astronomy has been to understand how galaxies form and change in our expanding and evolving Universe. Jellyfish galaxies are a key to understanding galaxy evolution as they are galaxies caught in the middle of a dramatic transformation.”

Notes

[1] To date, just over 400 candidate jellyfish galaxies have been found.

[2] The results were produced as part of the observational programme known as GASP (GAs Stripping Phenomena in galaxies with MUSE), which is an ESO Large Programme aimed at studying where, how and why gas can be removed from galaxies. GASP is obtaining deep, detailed MUSE data for 114 galaxies in various environments, specifically targeting jellyfish galaxies. Observations are currently in progress.

[3] It is well established that almost every, if not every, galaxy hosts a supermassive black hole at its centre, between a few million and a few billion times as massive as our Sun. When a black hole pulls in matter from its surroundings, it emits electromagnetic energy, giving rise to some of the most energetic of astrophysical phenomena: active galactic nuclei (AGN).

[4] The team also investigated the alternative explanation that the central AGN activity contributes to stripping gas from the galaxies, but considered it less likely. Inside the galaxy cluster, the jellyfish galaxies are located in a zone where the hot, dense gas of the intergalactic medium is particularly likely to create the galaxy’s long tentacles, reducing the possibility that they are created by AGN activity. There is therefore stronger evidence that ram pressure triggers the AGN and not vice versa.

More information

This research was presented in a paper entitled “Ram Pressure Feeding Supermassive Black Holes” by B. Poggianti et al., to appear in the journal Nature on 17 August 2017.

The team is composed of B. Poggianti (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), Y. Jaffé (ESO, Chile), A. Moretti (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), M. Gullieuszik (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), M. Radovich (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), S. Tonnesen (Carnegie Observatory, USA), J. Fritz (Instituto de Radioastronomía y Astrofísica, Mexico), D. Bettoni (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), B. Vulcani (University of Melbourne, Australia; INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), G. Fasano (INAF-Astronomical Observatory of Padova, Italy), C. Bellhouse (University of Birmingham, UK; ESO, Chile), G. Hau (ESO, Chile) and A. Omizzolo (Vatican Observatory, Vatican City State).

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 and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper in Nature
• Photos of the VLT
• Photos of MUSE
• Further details about the GASP (GAs Stripping Phenomena in galaxies with MUSE) programme
• Jellyfish galaxies 3D models: JW100, JO175, and JO194

Contacts

Bianca Poggianti
INAF-Astronomical Observatory of Padova
Padova, Italy
Tel: +39 340 7448663
Email: bianca.poggianti@oapd.inaf.it

Richard Hook
ESO Public Information Officer
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