2020. 1. 17. 15:13ㆍ3. 천문뉴스/유럽남부천문대(ESO)
사진 1> 이 사진은 ESO VLT에 장착된 MUSE로 촬영한 가스 헤일로 중 하나로서 ALMA를 통해 이전에 촬영된 동일 지역의 은하 사진과 합성한 것이다.
거대한 규모의 수소가스 덩어리가 파란색으로 보이고 ALMA를 통해 획득한 데이터는 주황색으로 보인다.
이 가스 덩어리들은 중심에 퀘이사를 품고 있는 은하와 긴밀하게 엮여 있다.
헤일로 안에서 희미하게 불타오르는 수소 가스는 퀘이사 중심에 잇는 초거대질량 블랙홀에게는 완벽한 먹이가 된다.
사진 속 천체는 적색편이 6.2, 즉 128억년 전에 존재하던 천체이다.
퀘이사는 매우 밝은 천체이긴 하지만 그 주변을 둘러싸고 있는 가스 저장고는 관측하기가 훨씬 더 어렵다.
하지만 MUSE는 헤일로에서 발생하는 희미한 수소의 복사를 감지해낼 수 있다.
이를 통해 천문학자들은 초기 우주에서 초거대질량 블랙홀의 성장에 연료가 되어준 가스 덩어리들을 찾아낼 수 있었다.
천문학자들이 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)을 이용하여 가장 이른 시기에 생성된 몇몇 은하들 주변에 고여있는 차가운 가스를 관측했다.
이 가스덩어리들은 은하중심에 자리잡은 초거대질량 블랙홀에게 있어서는 완벽한 먹잇감이기도 하다.
이번에 관측된 이 가스덩어리들은 125억년 광년 거리의 우주에서 관측된 것이다.
이 가스덩어리들은 우주 역사에서 '우주의 여명(the Cosmic Dawn)'으로 알려진 기간동안 어떻게 초거대질량의 블랙홀들이 빠르게 몸집을 키울 수 있었는지 설명해 줄 것으로 보인다.
2019년 12월 19일 아스트로피지컬 저널에 발표된 연구를 이끈 독일 막스플랑크 천문연구소(the Max Planck Institute for Astronomy) 및 천체물리연구소(the Max Planck Institute for Astrophysics), 에마누엘레 파올로 파리나(Emanuele Paolo Farina)의 설명은 다음과 같다.
"원시 은하들이 초거대질량 블랙홀의 성장과 활발한 별의 생성을 유지할 수 있는 충분한 에너지원이 있었다는 것을 이번에 처음 보여줄 수 있게 되었습니다.
이번 발견을 통해 120억 년 이전의 우주에서 우주의 구조가 어떻게 형성되었는지에 대한 여러 수수께기 중 한 조각을 채워넣을 수 있게 되었습니다."
천문학자들은 어떻게 우주 역사 초기에 초거대질량 블랙홀들이 그처럼 크게, 그처럼 빨리 몸집을 키울 수 있었는지 궁금해왔었다.
파리나는 우주의 역사 초기에 존재하는 블랙홀들의 질량이 태양질량의 수십억 배에 달하는 수준이었는데 이것은 큰 수수께끼였다고 말했다.
이처럼 거대한 블랙홀들이 존재하기 위해서는 첫 세대의 별들이 반드시 빠르게 성장하고 빠르게 붕괴해야 가능한 일이었다.
하지만 지금까지 천문학자들은 블랙홀의 빠른 성장을 설명해주기에 충분할 만큼의 먹이, 즉, 가스와 먼지를 발견해 내지 못했었다.
문제를 더욱 어렵게 만드는 것은 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA)을 이용한 이전 관측 결과들이다.
이 관측들은 초기 우주에 존재하는 은하들에서 별들이 빠르게 탄생하는데 재료가 된 상당한 양의 먼지와 가스의 존재를 밝혀준 바 있다.
ALMA의 관측 결과대로라면 블랙홀에게 공급될 양은 많지 않다는 결론에 도달하게 된다.
이러한 문제를 풀기 위해 파리나와 동료들은 VLT에 장착된 광시야분광관측기(Multi Unit Spectroscopic Explorer, 이하 MUSE)를 이용하여 무거운 은하의 한복판, 초거대질량 블랙홀에서 쏟아져나오는 극도로 밝은 물질인 퀘이사를 연구하였다.
연구팀이 연구한 퀘이사는 31개이다.
이들은 모두 우주가 탄생한 후 고작 8억 7천만년밖에 지나지 않은 125억년 이전에 존재하던 퀘이사들이었다.
이번 연구는 초기 우주의 퀘이사를 가장 대규모로 살펴본 연구가 되었다.
천문학자들은 이 중 12개의 퀘이사에서 퀘이사를 둘러싸고 있는 거대한 가스 저장고를 발견하였다.
이 가스 저장고에는 차가운 고밀도 수소 가스들이 블랙홀을 둘러싸고 10만 광년에 걸쳐 펼쳐져 있었고 그 질량은 태양 질량의 수십억 배에 달했다.
독일과 미국, 이탈리아와 칠레의 학자들로 구성된 연구팀은 이 가스 헤일로가 각 은하들과 긴밀하게 엮여 있다는 사실도 발견했다.
이는 이 가스가 블랙홀의 몸집을 키우고 별들을 활발하게 만들어내는데 지속적인 에너지 공급원이 될 수 있었음을 말해준다.
파리나는 이번 퀘이사 연구가 MUSE의 독보적인 감도에 의해 가능했다고 말했다.
대상 하나 당 고작 몇 시간 내에 초기 우주에서 가장 무거우면서 주위의 물질들을 왕성하게 먹어치우는 블랙홀 주변을 샅샅이 훑어볼 수 있었다면서 MUSE를 게임 체인저로 평가했다.
퀘이사는 밝은 천체이긴 하지만 그 주위에 있는 가스 덩어리들을 관측한다는 것은 쉬운일이 아니다.
하지만 MUSE는 수소가스의 희미한 복사를 포착해낼 수 있었다.
이를 통해 천문학자들은 초기 우주에서 강력한 초거대질량의 블랙홀들이 숨겨놓은 연료저장고를 밝혀낼 수 있었던 것이다.
천문학자들은 향후 ESO의 초대형망원경(Extremely Large Telescope, 이하 ELT)을 통해 빅뱅 이후 20억년 상관에 존재했던 은하와 초거대질량 블랙홀에 대해 좀더 세부적인 내용을 밝혀낼 수 있을 것이다.
파리나는 ELT를 통해 초기 우주를 좀더 상세하게 살펴볼 수 있고 이번에 발견된 것과 같은 가스 성운들을 좀더 많이 발견할 수 있을 것이라고 말했다.
사진 2> 이 그림은 초기 우주에서 퀘이사 주변을 휘감고 있는 가스 헤일로를 그린 상상화이다.
주황색으로 표현된 것은 퀘이사이다. 그 중심에는 초 거대질량의 블랙홀이 있으며 강력한 제트가 양 방향으로 뿜어져나오고 있다.
그 주위를 먼지가득한 원반이 휘감고 있다.
불타오르고 있는 수소가스로 이뤄진 가스 덩어리가 파란색으로 묘사되어 있다.
천문학자들은 125억년 이전의 우주에서 총 31개의 퀘이사를 관측하였다.
이 때 우주의 나이는 고작 8억 7천만년밖에 되지 않은 상태였다.
과학자들은 이 중 12개의 퀘이사에서 퀘이사를 둘러싸고 있는 거대한 가스 저장고를 발견하였다.
이 가스덩어리들은 은하 중심 블랙홀로부터 10만 광년에 걸쳐 펼쳐져 있었으며 태양 질량의 수십억 배의 질량을 가지고 있다.
이 가스들은 초기 우주에서 초거대질량 블랙홀이 지속적으로 몸집을 키워나가는데 완벽한 재료가 되었다.
출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release 2019년 12월 19일자
https://www.eso.org/public/news/eso1921/
참고 : 다양한 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
https://big-crunch.tistory.com/12346986
원문>
eso1921 — Science Release
ESO Observations Reveal Black Holes' Breakfast at the Cosmic Dawn
19 December 2019
Astronomers using ESO’s Very Large Telescope have observed reservoirs of cool gas around some of the earliest galaxies in the Universe. These gas halos are the perfect food for supermassive black holes at the centre of these galaxies, which are now seen as they were over 12.5 billion years ago. This food storage might explain how these cosmic monsters grew so fast during a period in the Universe’s history known as the Cosmic Dawn.
“We are now able to demonstrate, for the first time, that primordial galaxies do have enough food in their environments to sustain both the growth of supermassive black holes and vigorous star formation,” says Emanuele Paolo Farina, of the Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, Germany, who led the research published today in The Astrophysical Journal. “This adds a fundamental piece to the puzzle that astronomers are building to picture how cosmic structures formed more than 12 billion years ago.”
Astronomers have wondered how supermassive black holes were able to grow so large so early on in the history of the Universe. "The presence of these early monsters, with masses several billion times the mass of our Sun, is a big mystery," says Farina, who is also affiliated with the Max Planck Institute for Astrophysics in Garching bei München. It means that the first black holes, which might have formed from the collapse of the first stars, must have grown very fast. But, until now, astronomers had not spotted ‘black hole food’ — gas and dust — in large enough quantities to explain this rapid growth.
To complicate matters further, previous observations with ALMA, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, revealed a lot of dust and gas in these early galaxies that fuelled rapid star formation. These ALMA observations suggested that there could be little left over to feed a black hole.
To solve this mystery, Farina and his colleagues used the MUSE instrument on ESO’s Very Large Telescope (VLT) in the Chilean Atacama Desert to study quasars — extremely bright objects powered by supermassive black holes which lie at the centre of massive galaxies. The study surveyed 31 quasars that are seen as they were more than 12.5 billion years ago, at a time when the Universe was still an infant, only about 870 million years old. This is one of the largest samples of quasars from this early on in the history of the Universe to be surveyed.
The astronomers found that 12 quasars were surrounded by enormous gas reservoirs: halos of cool, dense hydrogen gas extending 100 000 light years from the central black holes and with billions of times the mass of the Sun. The team, from Germany, the US, Italy and Chile, also found that these gas halos were tightly bound to the galaxies, providing the perfect food source to sustain both the growth of supermassive black holes and vigorous star formation.
The research was possible thanks to the superb sensitivity of MUSE, the Multi Unit Spectroscopic Explorer, on ESO’s VLT, which Farina says was “a game changer” in the study of quasars. “In a matter of a few hours per target, we were able to delve into the surroundings of the most massive and voracious black holes present in the young Universe,” he adds. While quasars are bright, the gas reservoirs around them are much harder to observe. But MUSE could detect the faint glow of the hydrogen gas in the halos, allowing astronomers to finally reveal the food stashes that power supermassive black holes in the early Universe.
In the future, ESO’s Extremely Large Telescope (ELT) will help scientists reveal even more details about galaxies and supermassive black holes in the first couple of billion years after the Big Bang. “With the power of the ELT, we will be able to delve even deeper into the early Universe to find many more such gas nebulae,” Farina concludes.
More information
This research is presented in a paper to appear in The Astrophysical Journal.
The team is composed of Emanuele Paolo Farina (Max Planck Institute for Astronomy [MPIA], Heidelberg, Germany and Max Planck Institute for Astrophysics [MPA], Garching bei München, Germany), Fabrizio Arrigoni-Battaia (MPA), Tiago Costa (MPA), Fabian Walter (MPIA), Joseph F. Hennawi (MPIA and Department of Physics, University of California, Santa Barbara, US [UCSB Physics]), Anna-Christina Eilers (MPIA), Alyssa B. Drake (MPIA), Roberto Decarli (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, Italian National Institute for Astrophysics [INAF], Bologna, Italy), Thales A. Gutcke (MPA), Chiara Mazzucchelli (European Southern Observatory, Vitacura, Chile), Marcel Neeleman (MPIA), Iskren Georgiev (MPIA), Eduardo Bañados (MPIA), Frederick B. Davies (UCSB Physics), Xiaohui Fan (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, US [Steward]), Masafusa onoue (MPIA), Jan-Torge Schindler (MPIA), Bram P. Venemans (MPIA), Feige Wang (UCSB Physics), Jinyi Yang (Steward), Sebastian Rabien (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching bei München, Germany), and Lorenzo Busoni (INAF-Arcetri Astrophysical Observatory, Florence, Italy).
ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 16 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Ireland, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a Strategic Partner. 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. Also at Paranal ESO will host and operate the Cherenkov Telescope Array South, the world’s largest and most sensitive gamma-ray observatory. 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”.
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