은하를 관통하는 퀘이사의 쓰나미

 

CREDITS:NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)

 

사진 1> 이 그림은 중심에 활동성 퀘이사를 품고 있는 은하를 그린 상상화이다. 

퀘이사는 초거대질량의 블랙홀로부터 생성된 어마어마한 양의 에너지를 뿜어낸다. 

허블우주망원경의 독보적인 관측능력을 이용하여 블랙홀 인근의 작열하는 복사압력에 의해 은하 중심에서 어마어마한 속도로 밀려나오고 있는 물질들을 관측할 수 있었다. 

이러한 퀘이사 폭풍은 매년 태양 질량의 수백 배에 해당하는 질량들을 몰아내고 있으며 은하 전반에 영향을 끼치고 있다. 

 

허블우주망원경의 독보적인 관측 성능을 이용하여 천문학자들이 우주에서 가장 강력한 폭풍을 포착해냈다. 

이 폭풍은 퀘이사로부터 몰아쳐 나오는 것으로 퀘이사가 자리잡은 은하 전반을 마치 쓰나미처럼 휩쓸며 영향을 미치고 있었다. 

퀘이사는 극단적으로 먼 거리에 떨어져 있는 천체로서 어마어마한 양의 에너지를 방출한다. 

퀘이사는 초거대질량의 블랙홀을 동반하며 이 블랙홀로 추락하는 물질들로 인해 퀘이사 자신을 품고 있는 은하의 수천 억 개 별들이 뿜어내는 빛보다 1,000배나 더 밝게 빛난다. 

블랙홀에 물질이 쏟아져 들어오고 뜨거운 가스가 블랙홀 주위를 휘감을 때, 그리고 강력한 복사가 방출될 때 퀘이사가 만들어진다. 

 

블랙홀 인근에서 작열하는 복사압력에 의해 추동된 폭풍은 은하 중심의 물질들을 밀어낸다. 

이렇게 뿜어져나오는 폭풍은 물질들을 빛의 속도의 수 퍼센트에 해당하는 속도까지 가속시킨다. 

 

버지니아폴리테크닉연구소의 수석 연구원인 나훔 아라브(Nahum Arav)의 설명은 다음과 같다.

"이보다 더 많은 물리적 에너지를 이동시키는 현상은 없습니다. 

약 1천만 년에 달하는 수명이 유지되는 동안 이 폭풍은 감마선 폭발의 백만 배 이상에 달하는 에너지를 쏟아냅니다. 

이 폭풍이 밀어내는 물질의 질량은 매년 태양 질량의 수백 배에 달하며, 이 폭풍이 운반하는 물리적 에너지의 총량은 미리내 전체가 쏟아내는 광량의 수백 배에 달합니다."

 

퀘이사의 폭풍은 은하원반 전역의 물질을 쓸어내는 역할을 한다. 

은하 전반에 걸쳐 새로운 별들을 만들어내는데 사용될 수 있는 물질들이 쓸려나가면서 은하에서 새로운 별의 탄생은 중단되고 만다. 

퀘이사 복사는 예전에 과학자들이 생각했던 것보다 훨씬 더 멀리까지 가스와 먼지를 밀어내면서 은하 전반에 걸친 거대 사건을 만들어낸다. 

이 퀘이사 복사가 마치 쓰나미처럼 별사이 우주공간의 물질들을 쓸어내면서 충격파 전면의 온도는 수십억 도까지 치솟아 오르고, 이곳에서 X선 복사가 광범위하게 발생하는 한편 빛의 스펙트럼도 광범위하게 발생하게 된다.  

이러한 사건을 목격하게 된다면 누구라도 하늘에 장대하게 펼쳐진 빛들을 볼 수 있을 것이다. 

 

아라브의 설명은 다음과 같다.

"만약 하늘에 이와 같은 광경이 펼쳐진다면 우선은 X선과 감마선 복사를 보게 될 것입니다. 

그리고 이어서 가시광선과 적외선이 펼쳐지게 되죠. 

마치 은하 전반에 걸쳐 크리스마스트리가 펼쳐져 있는 것과 같은 거대한 빛의 향연을 보게 될 겁니다."

 

은하의 진화에 대한 수많은 시뮬레이션들은 이와 같은 폭풍이 몇몇 중요한 우주론적 수수께끼를 설명해 줄 수 있을 것으로 예견하고 있다.

이 우주론적 수수께끼에는 왜 우주에서 거대한 규모의 은하들은 얼마 되지 않는지, 또는 은하의 질량과 그 중심에 자리잡고 있는 블랙홀의 질량사이에 어떤 상관 관계가 있는 것인지와 같은 것들이 포함된다. 

 

이번 연구는 이처럼 강력한 퀘이사 폭풍이 초기 우주에서는 대단히 일반적인 현상이었음을 보여주고 있다. 

콜롬비아 대학 및 프린스턴 대학의 저명한 우주론학자인 제레미아 P. 오스트라이커(Jeremiah P. Ostriker)의 설명은 다음과 같다.

"이론천문학자들과 관측천문학자들은 수십 년동안 무거은 은하에서 별의 생성이 중단되는 물리적 과정들을 연구해 왔습니다. 

하지만 이 과정의 본질은 여전히 수수께끼로 남아 있죠.  

이번에 관측된 폭풍을 우리의 시뮬레이션에 대입해보니 은하 진화와 관련된 이러한 주요 문제들이 해결되는 것을 볼 수 있었습니다."

 

이번에 천문학자들은 13개의 퀘이사 폭풍을 연구하였다. 

그리고 퀘이사폭풍에 의해 가속된 가스의 맹렬한 속도는 불타오르는 가스가 분광분석 데이터 상에 남겨놓은 일종의 '지문'을 통해 측정할 수 있었다. 

허블우주망원경이 수집한 자외선 데이터에는 빛의 경로를 따라 도열한 물질들이 남겨놓은 분광데이터 상의 흡수선들이 스펙트럼 상에서 이동하는 양상이 담겨 있었다고 한다. 

이는 가스가 대단히 빠른 속도로 우주를 가로지르고 있었기 때문에 발생한 것이다.  

이러한 현상은 물체의 움직임으로 인해 빛이 압축되거나 늘어나는 도플러 효과 때문에 발생한 것이다. 

허블우주망원경만이 자외선의 특정 대역에서 이를 포착할 수 있었기 때문에 천문학자들은 이번 발견을 이끌어 내는데 반드시 필요한 관측 자료를 얻을 수 있었다. 

연구팀은 지금까지 관측된 것들 중 가장 활발한 퀘이사들을 측정하는 것 외에도 다른 어떤 것들보다도 빠르게 물질들을 가속시키는 폭풍도 발견해냈다. 

지난 3년 동안 이 폭풍은 그 속도가 시속 6880만 킬로미터에서 7360만 킬로미터까지 증가하였다. 

과학자들은 향후에도 이 속도는 계속 가속될 것으로 추정하고 있다. 

 

연구팀의 일원인 우주망원경과학연구소 제라드 크리스(Gerard Kriss)의 설명은 다음과 같다.

"허블우주망원경의 자외선 관측 자료들은 퀘이사로부터 뿜어져나오는 에너지의 모든 영역, 즉 어마어마한 질량을 나르고 있는 폭풍 속에 존재하는 차가운 가스부터 극단적으로 뜨겁고, 이온화 수치가 높은 가스들까지 추적할 수 있게 해 줍니다. 

이들을 X선으로 관측하기가 아주 어려워서 그 전까지는 일부만을 볼 수 있었습니다. 

이와 같은 강력한 폭풍은 은하 중심에 위치한 초거대질량 블랙홀의 성장과 이 블랙홀을 품고 있는 은하의 전반적인 발달 간의 연관성에 대한 새로운 통찰을 도출하게 해줄지도 모릅니다." 

 

이번 연구팀의 팀원으로는 버지니아폴리테크주립대학교 대학원생 주진팽(Xinfeng Xu)과 박사후과정의 티모시 밀러(Timothy Miller), 우주망원경과학연구소의 레이첼 플레샤(Rachel Plesha)가 있다. 

6개의 시리즈 논문으로 발표된 연구결과는 2020년 3월 아스트로피지컬 저널 부록판에 포커스 이슈로 개재되었다. 

 

출처 : 허블사이트 2020년 3월 19일 발표 뉴스

        https://hubblesite.org/contents/news-releases/2020/news-2020-10#section-id-2

 

참고 : 다양한 퀘이사에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
         https://big-crunch.tistory.com/12346987