가장 거대한 블랙홀 분출폭발이 포착되다.

 

우주에서 가장 거대한 규모의 분출이 발견되었다. 

새로운 기록을 만든 이 거대한 폭발분출은 수억 광년 거리의 은하단에 있는 블랙홀에서 발생했다. 

 

이번 연구의 책임자인 미국 해군연구소(the Naval Research Laboratory)  시모나 지아킨투치(Simona Giacintucci)의 설명은 다음과 같다.

"어떤 측면에서 보면 이 폭발은 1980년 세인트 헬렌스 화산 폭발과 유사합니다.

당시 세인트 헬렌스 산은 화산 폭발로 산 정상부를 모두 날아가버렸죠. 

단 하나의 차이라면 이번 폭발로 가스가 날아가 버리고 만들어진 공간에 우리은하 미리내가 15개 정도 들어갈 수 있다는 거죠."

 

이번 발견에는 NASA의 찬드라 X선 망원경과 ESA의 XMM-뉴턴 망원경, 호주 머치슨 광대역 배열( the Murchison Widefield Array, 이하 MWA)과 

인도의 거대미터파장전파망원경(the Giant Metrewave Radio Telescope, 이하 GMRT)이 사용되었다. 

독보적인 규모를 자랑하는 이번 폭발은 지구로부터 3억 9천만광년 거리에 있는 땅꾼자리은하단에서 감지되었다. 

 

 

Credit: X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

 

은하단은 우주에서 가장 거대한 규모를 자랑하는 구조이다. 

은하단에는 수 천개의 은하와 암흑물질 및 뜨거운 가스가 포함되어 있다. 

땅꾼자리은하단의 중심에는 초거대질량의 블랙홀을 품고 있는 거대한 은하가 있다. 

과학자들은 이번에 포착된 거대한 폭발분출이 바로 이 블랙홀에서 만들어졌을 것으로 추정하고 있다. 

 

블랙홀은 물질을 빨아들이는 것으로 유명하지만 간혹 막대한 양의 물질과 에너지를 뿜어내기도 한다. 

이러한 일은 블랙홀로 빨려들어가는 물질이 제트나 빛줄기의 형태로 되튀어나올때 발생한다. 

이렇게 되튀어나온 물질들은 우주 공간으로 밀려나가면서 주위 물질들을 쓸어내는 작용을 한다. 

 

땅꾼자리은하단에서 거대한 분출이 발생했다는 단서는 2016년 찬드라 우주망원경에 의해 처음으로 포착되었다. 

노버트 워너(Norbert Werner)와 동료들은 땅꾼자리 은하단에서 발견된 특이하게 굴곡진 모서리를 보고한 바 있다. 

이들은 이 모서리를 초거대질량의 블랙홀로부터 뿜어져나온 제트가 뜨거운 가스에 파놓은 동공부 벽의 일부일지도 모른다고 생각했었다. 

하지만 이들은 당시 이러한 가능성을 무시했었다. 

왜냐하면 그처럼 거대한 동공부를 만들기 위해서는 블랙홀에서 상상도 못할 얼마어마한 양의 에너지가 뿜어져나와야 했기 때문이다. 

 

그러나 최근 지아킨투치와 그녀의 동료들이 함께 진행한 연구에 따르면 이처럼 어마어마한 폭발이 실제 발생했던 사건으로 확인되었다. 

우선 이들은 이 굽은 모서리가 XMM-뉴턴 망원경에서도 관측되었다는 사실을 알려주었다. 

이는 찬드라 X선망원경의 관측을 자연스럽게 확증해 주는 결과가 되었다. 

그 다음 핵심적인 단서는 MWA와 GMRT가 수집한 데이터에서 도출되었다. 

이 데이터에서는 굽은 모서리가 거대한 동공부 벽의 일부임을 알려주었다. 

이 모서리가 라디오파 복사로 가득차 있는 지역의 경계를 구성하고 있다는 것을 알게 된 것이다. 

 

 

Credit: X-ray: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM: ESA/XMM; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

 

이 복사는 거의 빛의 속도에 가까운 속도로 가속된 전자로부터 발생하는 것이었다. 

바로 그 가속이 초거대질량 블랙홀에 의해 가능했을 것으로 추정되는 것이다. 

이번 논문의 공동저자인 NASA 고다드우주비행센터 맥심 마커비치(Maxim Markevitch)는 이들이 본 전파 데이터가 마치 글러브 속에 솜겨진 손의 모습을 보여주는 것처럼 유례없는 규모의 거대 폭발을 말해주는 결정타가 되었다고 말했다. 

 

땅꾼자리은하단에 만들어진 동공부를 만드는데 필요한 에너지의 양은 지금까지 우주에서 관측된 가장 거대한 규모의 폭발인 MS 0735+74의 다섯 배나 되었으며 일반적인 은하단에서 볼 수 있는 분출의 수백만 배에 달한다. 

 

이 블랙홀 분출은 지금은 완전히 끝났음에 틀림없다. 

라디오파에서 더 이상 제트가 발생하고 있다는 증거가 일체 발견되지 않았기 때문이다. 

분출이 완전히 잦아들었다는 사실은 찬드라 X선망원경의 데이터로 설명할 수 있다. 

X선으로 관측된 가장 고밀도로 몰려있는 가장 차가운 가스들은 현재 은하 중심부에서 완전히 다른 지점에 위치하고 있다. 

만약 이 가스들인 은하로부터 밀쳐져 나온 것이라면 이는 블랙홀의 먹이가 되는 연료들을 완전히 빼앗은 것이며 이는 제트가 잦아드는 원인이 되었을 것이다. 

이와 같은 가스의 위치 변경은 마치 와인잔의 와인이 흔들리는 것처럼 은하단을 채우고 있는 가스가 전반적으로 출렁거렸기 때문에 발생한 것일 수 있다. 

이와 같은 출렁임은 대개 두 개 은하단의 충돌과 같은 현상에서 발생한다. 

그런데 이번 경우에는 단지 블랙홀의 제트분출에 의해 야기되었다. 

 

한가지 수수께끼는 라디오파 복사가 발생한 거대지역이 하나밖에 보이지 않는다는 점이다. 

대개 블랙홀 분출은 양방향으로 일어나므로 이와 동일한 지역이 하나 더 있는 것이 일반적인 현상이다. 

이에 대한 가설은 반대방향에 있는 동공부에 있는 가스들의 밀도가 상대적으로 낮아서 라디오파 복사가 좀더 빨리 사그라든 것으로 추정하고 있다. 

 

이번 논문의 공동저자인 호주 국제전파천문센터 멜라니 존스턴 홀리트(Melanie Johnston-Hollitt)의 설명은 다음과 같다.

"천체물리학에서 일반적으로 발생하는 것처럼, 우리는 이곳에서 발생하는 물리적 과정을 이해하기 위해 다양한 파장의 관측이 필요했습니다. 

X선 데이터와 전파 데이터를 함께 이용함으로써, 이 독특한 사건이 근원을 알아내게 되었죠. 

하지만 아직 많은 의문점이 남아 있고 따라서 더 많은 데이터가 필요할 것 같습니다."

 

이번 논문은 2020년 2월 27일 아스트로피지컬 저널에 발표되었다. 

논문의 주저자는 지아킨투치와 마거비치, 존스터-홀리트외에도 다니엘 위크(Daniel Wik, 유타대학교), 왕 키안(Qian Wang, 유타대학교), 트레이시 클라크(Tracy Clarke, 미국 해군연구소)가 있다. 

2016년 노버트 워너의 논문은 영국확립학회 월보에 개재된 바 있다. 

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Press Release 2020년 2월 27일

       https://chandra.harvard.edu/press/20_releases/press_022720.html

 

참고 : 땅꾼자리 은하단을 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 
       
참고 : 블랙홀에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
        https://big-crunch.tistory.com/12346986

 

원문>

Record-Breaking Explosion by Black Hole Spotted

For Release: February 27, 2020

NASA/CXC

 

The biggest explosion seen in the universe has been found. This record-breaking, gargantuan eruption came from a black hole in a distant galaxy cluster hundreds of millions of light years away.

"In some ways, this blast is similar to how the eruption of Mt. St. Helens in 1980 ripped off the top of the mountain," said Simona Giacintucci of the Naval Research Laboratory in Washington, DC, and lead author of the study. "A key difference is that you could fit fifteen Milky Way galaxies in a row into the crater this eruption punched into the cluster's hot gas."

Astronomers made this discovery using X-ray data from NASA's Chandra X-ray Observatory and ESA's XMM-Newton, and radio data from the Murchison Widefield Array (MWA) in Australia and the Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) in India.

The unrivaled outburst was detected in the Ophiuchus galaxy cluster, which is about 390 million light years from Earth. Galaxy clusters are the largest structures in the Universe held together by gravity, containing thousands of individual galaxies, dark matter, and hot gas.

In the center of the Ophiuchus cluster, there is a large galaxy that contains a supermassive black hole. Researchers think that the source of the gigantic eruption is this black hole.

Although black holes are famous for pulling material toward them, they often expel prodigious amounts of material and energy. This happens when matter falling toward the black hole is redirected into jets, or beams, that blast outward into space and slam into any surrounding material.

Chandra observations reported in 2016 first revealed hints of the giant explosion in the Ophiuchus galaxy cluster. Norbert Werner and colleagues reported the discovery of an unusual curved edge in the Chandra image of the cluster. They considered whether this represented part of the wall of a cavity in the hot gas created by jets from the supermassive black hole. However, they discounted this possibility, in part because a huge amount of energy would have been required for the black hole to create a cavity this large.

The latest study by Giacintucci and her colleagues show that an enormous explosion did, in fact, occur. First, they showed that the curved edge is also detected by XMM-Newton, thus confirming the Chandra observation. Their crucial advance was the use of new radio data from the MWA and data from the GMRT archives to show the curved edge is indeed part of the wall of a cavity, because it borders a region filled with radio emission. This emission is from electrons accelerated to nearly the speed of light. The acceleration likely originated from the supermassive black hole.

"The radio data fit inside the X-rays like a hand in a glove," said co-author Maxim Markevitch of NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "This is the clincher that tells us an eruption of unprecedented size occurred here."

The amount of energy required to create the cavity in Ophiuchus is about five times greater than the previous record holder, MS 0735+74, and hundreds and thousands of times greater than typical clusters.

The black hole eruption must have finished because the researchers do not see any evidence for current jets in the radio data. This shutdown can be explained by the Chandra data, which show that the densest and coolest gas seen in X-rays is currently located at a different position from the central galaxy. If this gas shifted away from the galaxy it will have deprived the black hole of fuel for its growth, turning off the jets.

This gas displacement is likely caused by "sloshing" of the gas around the middle of the cluster, like wine sloshing around in a glass. Usually the merger of two galaxy clusters triggers such sloshing, but here it could have been set off by the eruption.

One puzzle is that only one giant region of radio emission is seen, as these systems usually contain two on opposite sides of the black hole. It is possible that the gas on the other side of the cluster from the cavity is less dense so the radio emission there faded more quickly.

"As is often the case in astrophysics we really need multiwavelength observations to truly understand the physical processes at work," said Melanie Johnston-Hollitt, a co-author from International Centre for Radio Astronomy in Australia. "Having the combined information from X-ray and radio telescopes has revealed this extraordinary source, but more data will be needed to answer the many remaining questions this object poses."

A paper describing these results appears in the February 27th issue of The Astrophysical Journal, and a preprint is available here. In addition to Giacintucci, Markevitch, and Johnston-Hollitt, the authors are Daniel Wik (University of Utah), Qian Wang (University of Utah), and Tracy Clarke (Naval Research Laboratory). The 2016 paper by Norbert Werner was published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

NASA's Marshall Space Flight Center manages the Chandra program. The Smithsonian Astrophysical Observatory's Chandra X-ray Center controls science and flight operations from Cambridge and Burlington, Massachusetts.

 

Other materials about the findings are available at:
http://chandra.si.edu

For more Chandra images, multimedia and related materials, visit:
http://www.nasa.gov/chandra

Media contacts:
Megan Watzke
Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.
617-496-7998
mwatzke@cfa.harvard.edu