M77 : 초거대질량 블랙홀의 주변을 서로 반대로 도는 가스원반

Credit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

그림 1> 이 그림은 두꺼운 도넛 모양의 가스먼지 구름에 숨겨져 있는 초거대질량의 블랙홀을 그린 상상화이다. 

ALMA 관측을 통해 은하 중심에서 서로 반대 방향으로 돌고 있는 가스를 발견했다.

이 그림에서 각 색깔은 가스의 움직임을 표현하고 있다.

파란색은 우리쪽으로 다가오는 물질을, 빨간색은 우리쪽에서 멀어지는 물질을 표시한 것이다. 

 

 

NGC 1068이라는 등재명을 가진 은하의 한복판에는 가스와 먼지로 이루어진 두꺼운 도넛 모양의 구름 속에 초거대질량의 블랙홀이 숨겨져 있다.

천문학자들이 ALMA를 이용하여 이 도넛 모양의 구름을 좀더 세밀하게 연구했다.

그리고 이 연구를 통해 예상 밖의 수확을 얻을 수 있었다.

초기 우주에서 초거대질량의 블랙홀이 어떻게 빠르게 성장할 수 있었는지에 대한 단서를 발견한 것이다.

 

아스트로피지컬 저널에 발표된 논문의 수석 저자인 국립전파천문대(the National Radio Astronomy Observatory, NRAO)의 비올레테 임펠리제리(Violette Impellizzeri)는 ALMA의 고해상도 관측 성능 때문에 블랙홀 주변을 돌고 있는 가스구름의 안쪽 움직임을 측정할 수 있었고 여기서 서로 반대 방향으로 회전하고 있는 두 개의 가스원반을 볼 수 있었다고 말했다.

 

초거대질량의 블랙홀은 빅뱅 이후 고작 10억년 밖에 되지 않은 초기 우주에 이미 존재하고 있었다.

그러나 태양질양 대비 수십억배에 달하는 질량을 가진 이 극단의 천체들이 어떻게 이처럼 상대적으로 짧은 시간 내에 몸집을 불릴 수 있었는지는 여전히 수수께끼로 남아 있었다.

이번 ALMA 관측을 통해 바로 이 문제를 해결할 수 있는 단서가 발견된 것이다.

 

임펠리제리의 설명은 다음과 같다.

"서로 반대방향으로 도는 가스의 흐름은 매우 불안정한 상태였습니다.

이것은 이 구름들이 동일한 방향으로 회전할 때보다 훨씬 더 빠른 속도로 블랙홀로 추락하고 있음을 의미하는 것이었죠.

바로 이것이 블랙홀이 빠르게 몸집을 키운 원인입니다."

 

메시에 77로도 알려져 있는 NGC 1068은 고래자리방향으로 지구로부터 4700만 광년 거리에 위치하고 있는 나선은하이다.

이 은하의 한복판에는 활성은하핵인 초거대질량의 블랙홀이 위치하고 있으며 이 블랙홀은 강착원반으로 알려져 있는 가스와 먼지 원반을 활발하게 먹어치우고 있다.

 

ALMA를 이용하여 진행된 이전의 연구들에 따르면 블랙홀은 주위 물질들을 먹어치울 뿐만 아니라 가스를 초속 500킬로미터라는 놀랍도록 빠른 속도로 토해내기도 한다.

강착원반으로부터 쏟아져나오는 이 가스는 가시광 대역을 이용한 관측장비로는 블랙홀 주변 지역을 볼 수 없게 만드는 원인이 되기도 한다. 

하지만 임펠리제리와 그녀의 연구팀은 ALMA의 뛰어난 확대 기능을 이용하여 블랙홀 주변의 분자 가스를 관측할 수 있었다.

그리고 이로부터 서로 다른 방향으로 회전하고 있는 가스원반을 발견하게 되었다. 

 

이 가스 원반의 안쪽은 2~4광년 폭으로 펼쳐져 있었으며 은하의 자전방향과 동일한 방향으로 회전하고 있었다.

반면 토러스(torus)라고 불리기도 하는 바깥쪽 원반은 4~22광년 폭으로 펼쳐져 있었으며 은하의 자전방향과 반대방향으로 회전하고 있었다.

 

임펠리제리의 설명은 다음과 같다.

"블랙홀로 빨려들어가는 가스는 일반적으로 한 방향으로만 추락하기 때문에 이와 같은 현상이 관측되리라고는 예측하지 못했습니다.

가스 원반의 특정 부분만 반대방향으로 움직이는 것은 불가능하기 때문에 이처럼 서로 다른 방향으로 돌아가는 양상은 뭔가 이러한 흐름을 만드는 원인이 있었을 것입니다. "

 

사실 은하 원반이 서로 다른 방향으로의 회전을 보이는 현상은 특이한 것은 아니다.

이번 논문의 공동저자인 펜실베니아 주 버크넬 대학의 잭 갤리모어(Jack Gallimore)의 설명은 다음과 같다.

"은하의 회전방향과 반대방향의 회전을 보이는 원반은 은하의 중심부로부터 수천 광년 떨어진 지점에서는 일반적으로 목격되는 현상입니다.

이러한 회전 양상은 두 개 은하 간의 충돌 결과에 의해 발생합니다.

이번 발견을 특별하게 만드는 것은 이러한 회전 양상이 중심지점으로부터 고작 수 광년에 지나지 않는 훨씬 좁은 영역에서 발견되었다는 것입니다."

 

천문학자들은 NGC 1068에서 나타나는 이러한 흐름이 은하로부터 밀쳐져 나온 가스구름 때문에 발생했거나 이 은하와는 반대 방향으로 회전하는 작은 은하가 통과하는 모습이 이 원반에서 포착되었기 때문일 것으로 추정하고 있다.

현재로서는 바깥쪽에 있는 원반이 안쪽에 있는 원반에 비해 좀더 안정된 상태를 보여주고 있다.

 

갤리모어의 설명은 다음과 같다.

"바깥쪽에 있는 원반이 안쪽 원반으로 추락하기 시작하면 이러한 상태는 변하게 될 것입니다.

이러한 현상은 고작 몇 번의 공전이 지난 후에 발생할 수도 있고 수십만 년 정도가 지난 후에도 발생할 수 있죠.

회전하고 있는 가스의 안정된 흐름은 붕괴될 것이고 불안정한 상태가 될 것입니다.

그리고 블랙홀로 빨려들어가면서 상당히 밝은 빛이 뿜어져 나오게 되겠죠.

불행히도 지금의 우리 기술로는 그곳에서 그 모습을 직접 볼 수는 없는 상황입니다."

 

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), V. Impellizzeri; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

 

그림 2> ALMA의 화상이미지를 보여주고 있는 이 그림은 NGC 1068의 블랙홀 주위를 서로 반대방향으로 돌고 있는 가스의 흐름을 표현한 것이다.

각 색깔은 가스의 움직임을 표현한 것으로 파란색은 우리쪽으로 다가오는 부분을, 빨간색은 우리쪽에서 멀어지는 부분을 표현한 것이다.

하얀색의 삼격형은 안쪽 원반으로부터 분출되어 나오는 가스를 묘사한 것으로 이 가스는 블랙홀 주변의 모습을 가려버리는 두껍고 탁한 구름이 있는 부분이다.

 

 

Credit: IAU; Sky & Telescope magazine; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

 

표1> 이 별지도에는 M77로도 알려져 있는 NGC 1068의 위치가 표시되어 있다.

이 나선은하는 고래자리방향으로 지구로부터 4,700만 광년 거리에 위치하고 있다.

 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2019년 10월 15일자 

       https://public.nrao.edu/news/going-against-the-flow-around-a-supermassive-black-hole/#PRimageSelected

         

 

참고 : M77을 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>

Going Against the Flow Around a Supermassive Black Hole

At the center of a galaxy called NGC 1068, a supermassive black hole hides within a thick doughnut-shaped cloud of dust and gas. When astronomers used the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)

 to study this cloud in more detail, they made an unexpected discovery that could explain why supermassive black holes grew so rapidly in the early Universe.

“Thanks to the spectacular resolution of ALMA, we measured the movement of gas in the inner orbits around the black hole,” explains Violette Impellizzeri of the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), working at ALMA in Chile and lead author on a paper published in the Astrophysical Journal. “Surprisingly, we found two disks of gas rotating in opposite directions.”

Supermassive black holes already existed when the Universe was young – just a billion years after the Big Bang. But how these extreme objects, whose masses are up to billions of times the mass of the Sun, had time to grow in such a relatively short timespan, is an outstanding question among astronomers. This new ALMA discovery could provide a clue. “Counter-rotating gas streams are unstable, which means that clouds fall into the black hole faster than they do in a disk with a single rotation direction,” said Impellizzeri. “This could be a way in which a black hole can grow rapidly.”

NGC 1068 (also known as Messier 77) is a spiral galaxy approximately 47 million light-years from Earth in the direction of the constellation Cetus. At its center is an active galactic nucleus, a supermassive black hole that is actively feeding itself from a thin, rotating disk of gas and dust, also known as an accretion disk.

Previous ALMA observations revealed that the black hole is not only gulping down material, but also spewing out gas at incredibly high speeds – up to 500 kilometers per second (more than one million miles per hour). This gas that gets expelled from the accretion disk likely contributes to hiding the region around the black hole from optical telescopes.

Impellizzeri and her team used ALMA’s superior zoom lens ability to observe the molecular gas around the black hole. Unexpectedly, they found two counter-rotating disks of gas. The inner disk spans 2-4 light-years and follows the rotation of the galaxy, whereas the outer disk (also known as the torus) spans 4-22 light-years and is rotating the opposite way.

“We did not expect to see this, because gas falling into a black hole would normally spin around it in only one direction,” said Impellizzeri. “Something must have disturbed the flow, because it is impossible for a part of the disk to start rotating backward all on its own.”

Counter-rotation is not an unusual phenomenon in space. “We see it in galaxies, usually thousands of light-years away from their galactic centers,” explained co-author Jack Gallimore from Bucknell University in Lewisburg, Pennsylvania. “The counter-rotation always results from the collision or interaction between two galaxies. What makes this result remarkable is that we see it on a much smaller scale, tens of light-years instead of thousands from the central black hole.”

The astronomers think that the backward flow in NGC 1068 might be caused by gas clouds that fell out of the host galaxy, or by a small passing galaxy on a counter-rotating orbit captured in the disk.

At the moment, the outer disk appears to be in a stable orbit around the inner disk. “That will change when the outer disk begins to fall onto the inner disk, which may happen after a few orbits or a few hundred thousand years. The rotating streams of gas will collide and become unstable, and the disks will likely collapse in a luminous event as the molecular gas falls into the black hole. Unfortunately, we will not be there to witness the fireworks,” said Gallimore.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.

# # #

Contact:
Iris Nijman
Interim Public Information Officer for ALMA
alma-pr@nrao.edu

Reference: “Counter-Rotation and High Velocity Outflow in the Parsec-Scale Molecular Torus of NGC 1068,” C. M. Violette Impellizzeri et. al., the Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/2041-8213/ab3c64

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 Ministry of Science and Technology (MOST) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.