왜소은하의 품속에서 방황하는 블랙홀

 

Credit: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

 

그림 1> 이 상상화에 담긴 왜소은하는 형태가 뒤틀려 있는 것으로 보아 과거에 다른 은하와의 상호작용을 겪은 것으로 보인다. 

이 은하는 중심이 아닌 외곽에 무거운 질량(태양질량의 40만 배 수준)을 가진 블랙홀이 있다. (그림에서 4시 방향 밝은 점)

 

우주의 역사 초기에 초거대질량의 블랙홀이 어떻게 만들어졌는지를 알고자 하는 천문학자들이 지구로부터 10억 광년이 채 되지 않는 거리에서 발견한 왜소은하의 블랙홀 13개를 조사하여 중요한 단서를 얻어냈다. 

우리은하 미리내 질량의 100분의 1도 채 되지 않는 질량을 가진 이들 왜소은하들은 무거운 질량을 가진 블랙홀을 거느린 은하로서는 가장 규모가 작은 은하들이다. 

과학자들은 이 은하들이 보유하고 있는 블랙홀의 질량은 태양질량의 평균 40만 배 수준인 것으로 예측하고 있다. 

 

몬태나주립대학교(Montana State University) 애이미 레인스(Amy Reines)의 소감은 다음과 같다.  

"우리는 이 블랙홀들을 연구하고 싶습니다. 

이 블랙홀을 가지고 있는 은하들은 우주 초기에 블랙홀들이 어떻게 형성되었고 태양질량의 수백만배에서 수십억배에 달하는 질량을 가진 초거대질량의 블랙홀들이 수십억년에 달하는 장구한 시간동안 은하끼리의 충돌 와중에 어떻게 몸집을 키워왔는지에 대한 통찰을 제공해 줄 것입니다." 

  

레인스와 동료들은 미국국립과학재단의 칼G.잰스키극대배열전파망원경(Karl G. Jansky Very Large Array, 이하 VLA)으로 왜소은하들을 발견하였다. 

이들의 발견은 하와이 호눌룰루에서 열린 전미천문학회에서 발표되었다. 

 

레인스와 그녀의 동료들이 VLA를 이용하여 무거운 질량의 블랙홀을 가지고 있는 왜소은하를 처음으로 발견한 것은 2011년이었다. 

이러한 발견은 천문학자들을 놀라게 만들었고 전파를 이용한 이러한 유형의 천체 탐사에 박차를 가하는 계기가 되었다. 

 

과학자들은 가시광선 망원경으로 수집한 은하 목록인 NASA-슬론 지도(the NASA-Sloan Atlas)에서 샘플이 될만한 은하를 수집하기 시작했다. 

과학자들의 샘플 선정 기준은 해당 은하가 보유하고 있는 별들의 총 질량이 태양질량대비 30억 배 미만의 질량을 가진 은하로서 이는 미리내의 동반은하인 대마젤란은하 정도에 해당하는 질량이다. 

이렇게 추려진 샘플 중에서 1993년부터 2011년까지 진행된 국립전파천문대의 '20센티미터 진폭으로 바라본 라디오파 하늘의 희미한 사진들(Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters, FIRST)'탐사 프로그램에 촬영된 후보 은하를 선정하였다. 

이렇게 선정된 은하를 대상으로 감도높은 VLA를 통하여 고해상도 사진 111장을 촬영했다. 

 

레인스의 설명은 다음과 같다.

"VLA 관측을 통해 이 은하들 중 13개에서 무거운질량의 블랙홀이 있다는 강력한 증거를 찾아낼 수 있었습니다. 

이들은 활발하게 주변에 있는 물질들을 먹어치우고 있었습니다. 

그리고 13개 은하들 중 약 반 정도의 은하에서는 좀더 규모가 큰 은하들과는 달리 블랙홀이 은하 한복판에 있는 것도 아니라는 것을 알고 정말 놀라지 않을 수 없었습니다."

 

과학자들은 이 독특한 양상이 이 은하들의 생성 초기에 다른 은하들과 충돌을 겪었음을 알려주는 증거인 듯 하다고 말했다. 

이러한 사실은 왜소은하에 있는 무거운 질량의 블랙홀 중 대략 반 정도가 은하의 외곽부에서 발견될 것이라는 컴퓨터 시뮬레이션 예측과도 일치한다. 

 

Credit: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; DECaLS survey; CTIO

사진 1> 이 사진은 VLA가 관측해낸 은하들의 가시광선 사진이다. 

이 은하들은 모두 무거운 질량의 블랙홀을 가지고 있다. 

중앙에 있는 것은 이들이 품고 있는 블랙홀을 그린 상상화로서 블랙홀로 추락한 물질들로 만들어진 회전하는 원반과 이로부터 뿜어져나오는 제트가 묘사되어 있다. 

 

레인스는 이번 작업을 통해 이들 천체에 대해 좀더 완벽한 이해를 얻고 초기 우주에서 첫 세대에 해당하는 무거운 블랙홀들이 형성되는데 도움을 준 기재가 무엇인지 알기 위해서 왜소은하가 품고 있는 무거운 블랙홀을 찾아내려는 우리의 노력을 좀더 넓혀야 한다는 점을 배웠다고 말했다. 

 

이번 연구에는 몬태나주립대학교(Montana State University) 애이미 레인스(Amy Reines), 국립전파천문대 및 콜로라도 대학교 제임스 콘돈(James Condon), 프린스턴 대학교(Princeton University)의 제니 그린(Jenny Greene)이 참여하였다. 

 

이들의 연구 결과는 아스트로피지컬 저널에 개재되었다. 

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2020년 1월 5일자 

       https://public.nrao.edu/news/wandering-black-holes-dwarf-galaxies/#PRimageSelected

 

참고 : 이 뉴스는 2014년 1월에 발표된 뉴스의 후속 연구를 보도하는 뉴스입니다. 
       최초 뉴스는 다음의 링크를 참고하세요.
       https://big-crunch.tistory.com/12347022

참고 : 블랙홀에 대한 다양한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
        https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

원문>

Astronomers Find Wandering Massive Black Holes in Dwarf Galaxies

 

Roughly half of the newly-discovered black holes are not at the centers of their galaxies

Astronomers seeking to learn about the mechanisms that formed massive black holes in the early history of the Universe have gained important new clues with the discovery of 13 such black holes in dwarf galaxies less than a billion light-years from Earth.

These dwarf galaxies, more than 100 times less massive than our own Milky Way, are among the smallest galaxies known to host massive black holes. The scientists expect that the black holes in these smaller galaxies average about 400,000 times the mass of our Sun.

“We hope that studying them and their galaxies will give us insights into how similar black holes in the early Universe formed and then grew, through galactic mergers over billions of years, producing the supermassive black holes we see in larger galaxies today, with masses of many millions or billions of times that of the Sun,” said Amy Reines of Montana State University.

Reines and her colleagues used the National Science Foundation’s Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) to make the discovery, which they are reporting at the American Astronomical Society’s meeting in Honolulu, Hawaii.

Reines and her collaborators used the VLA to discover the first massive black hole in a dwarf starburst galaxy in 2011. That discovery was a surprise to astronomers and spurred a radio search for more.

The scientists started by selecting a sample of galaxies from the NASA-Sloan Atlas, a catalog of galaxies made with visible-light telescopes. They chose galaxies with stars totalling less than 3 billion times the mass of the Sun, about equal to the Large Magellanic Cloud, a small companion of the Milky Way. From this sample, they picked candidates that also appeared in the National Radio Astronomy Observatory’s Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters (FIRST) survey, made between 1993 and 2011.

They then used the VLA to make new and more sensitive, high-resolution images of 111 of the selected galaxies.

“The new VLA observations revealed that 13 of these galaxies have strong evidence for a massive black hole that is actively consuming surrounding material. We were very surprised to find that, in roughly half of those 13 galaxies, the black hole is not at the center of the galaxy, unlike the case in larger galaxies,” Reines said

The scientists said this indicates that the galaxies likely have merged with others earlier in their history. This is consistent with computer simulations predicting that roughly half of the massive black holes in dwarf galaxies will be found wandering in the outskirts of their galaxies.

“This work has taught us that we must broaden our searches for massive black holes in dwarf galaxies beyond their centers to get a more complete understanding of the population and learn what mechanisms helped form the first massive black holes in the early Universe,” Reines said.

Reines worked with James Condon, of the National Radio Astronomy Observatory; Jeremy Darling, of the University of Colorado, Boulder; and Jenny Greene, of Princeton University. The astronomers are publishing their results in the Astrophysical Journal. (Preprint )

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

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