3C 279 : 처음으로 분석된 퀘이사의 기저부

Credit: Kim et al. (2020), EHT Collaboration
EHT를 이용하여  2017년 4월에 촬영한 3C 279퀘이사의 제트구조

 

1년 전 이벤트허라이즌망원경(the Event Horizon Telescope, 이하 EHT) 협력관측으로 블랙홀에 대한 사상 첫 사진으로서 전파복사은하인 M87의 블랙홀 사진이 발표된 바 있다. 
이러한 협력관측은 머나먼 거리에 있는 퀘이사 3C 279 관측 데이터로부터 새로운 정보를 얻어내는데까지 이르렀다. 
초대질량블랙홀에 의해 생성된 제트에 대해 가장 정교한 모습을 관측해 낸 것이다. 
막스플랑크전파천문학연구소(the Max Planck Institute for Radio Astronomy) 김재영 박사가 이끈 새로운 분석은 여러 관측 기구의 협력하에 제트가 발생하고 있는 원점을 추적할 수 있게 해주었다. 
제트가 발생하고 있는 지점은 전자기파 전영역에서 격렬하게 다양한 복사가 발생하는 지점 가까이에 자리잡고 있다. 

이번 연구 결과는 2020년 4월 아스트로노미앤아스트로피직스(Astronomy & Astrophysics)를 통해 발표되었다. 
EHT협력사업은 2017년 글로벌캠페인을 통해 수집된 획기적인 데이터로부터 새로운 정보를 지속적으로 추출해내고 있다. 

 

관측 대상 중 하나로 처녀자리 방향으로 50억광년 거리에 위치하고 있는 은하가 있었다. 
이 은하는 퀘이사로 분류되었는데 그 중심에 강력한 빛을 뿜어내는 곳이 있고 가스가 거대한 중심 블랙홀로 추락할 때마다 깜빡거리는 양상을 보여주었기 때문이다. 
이 천체의 이름은 3C 279이다. 
이 은하에는 태양의 10억 배 질량을 가진 블랙홀이 자리잡고 있다. 

 

블랙홀과 블랙홀 인근에서 거의 빛의 속도로 움직이는 원반으로부터 분출해 나오는 플라즈마 제트는 이중소화호스에서 뿜어져나오는 물줄기처럼 분출되고 있었다. 
이는 블랙홀의 강력한 중력에 의해 물질들이 추락할 때마다 거대한 에너지가 연달아 방출되면서 만들어지는 것이었다.  
새로운 사진을 촬영하기 위해 EHT는 초장기선간섭계(very long baseline interferometry, 이하 VLBI)라는 기술을 활용하였다.  이 기술은 세계 여러 곳에 배치된 전파 망원경을 이어 동기화하는 기술이다. 
지구만한 크기의 거대한 가상의 망원경을 형성하는 네트워크를 구축함으로써 EHT는 20마이크로각초까지 구분가능한 분해능을 구현하게 된다.  이는 지구에서 달 표면에 있는 오렌지를 식별가능한 분해능에 해당한다. 

세계 곳곳에 있는 EHT 사이트에서 수집된 데이터는 막스플랑크전파천문학연구소와 
MIT 헤이스텍 천문대(Haystack Observatory)에 있는 슈퍼컴퓨터로 전송되었으며 이곳에서 하나로 합쳐졌다. 
이렇게 합쳐진 데이터는 전문가들에 의해 주의깊게 조율되고 분석되었다. 
EHT 과학자들은 이러한 데이터를 이용하여 가장 세밀한 사진들을 만들어낼 수 있었다. 
세로 분석된 데이터는 보통 곧게 뻗어나오는 제트가 그 기저부에서는 예상밖으로 꼬여 있는 양상이 있음을 알려주었다. 

이번 논문의 수석저자인 김재영 박사는 이번 발견에 매우 열광적이면서도 혼란스러운 반응을 보였다.  
"우주를 향해 새로운 창을 열 때마다 새로운 사실이 발견된다는 것은 우리 모두가 이미 알고 있습니다.

 가능한한 가장 높은 해상도로 구현된 이 사진에서 제트가 형성되는 지역을 찾을 수 있을 거라고 기대했던

 바로 그곳에서 우리는 일종의 직립 구조를 볼 수 있었죠. 
 이건 가장 작은 마트료시카 인형을 열었을 때 완전히 다른 형태의 인형이 나온 것과 똑같은 상황입니다."

 

 

Credit: J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and the Event Horizon Telescope Collaboration
사진 > 3C 279 제트에 대한 다파장 분석 자료 
각 페널에는 관측시기와 배열, 파장이 기록되어 있다.

 

최초의 블랙홀 사진인 M87 블랙홀 사진 제작기술을 개발하고 이번 3C 279 퀘이사의 사진도 제작한  미국국립전파천문대의 잰스키 연구원 카주노리 아키야마(Kazunori Akiyama)의 소감은 다음과 같다. 
"이번 연구 결과는 정말 놀랍습니다. 
 우리는 일주일 상관에 4일 동안 이 퀘이사를 관측했습니다. 
 우리는 이처럼 역동적인 변화는 볼 수 없을 거라고 생각했죠. 
 왜냐하면 우선 관측 대상 천체는 너무나 멀리 있었기 때문입니다. 
 M87보다 100배나 멀리 있는 천체였죠. 
 하지만 EHT가 워낙 좋은 해상도를 제공하다보니 제트의 미세한 움직임을 포착해 낼 수 있었습니다."
 
3C 279는 대단히 활동적인 은하핵으로서 모든 파장에서 관측이 가능하다. 
이곳의 제트는 미국국립과학재단의 초장기선배열(Very Long Baseline Array, VLBA)에 의해 이미 20년 이상 관측되고 있다. 
VLBA-BU-BLAZAR라는 이름의 프로젝트를 이끄는 보스턴 대학의 천문학자 앨런 마셔(Alan Marscher)와 스베트라나 요르스타트(Svetlana Jorstad)는 감마선과 X선 폭발이 7밀리미터 파장의 VLBA사진에서 보이는 제트의 변화와 관련이 있다고 말했다.  
VLBA 사진들은 3C 279가 고에너지 입자들과 자기장을 제트를 따라 빛의 속도의 99.96%에 육박하는 속도의 "거품 덩어리"로 발사하고 있음을 보여주었다. 
마셔의 설명은 다음과 같다.
"놀랍게도 이 거품의 속도는 거품들이 처음 눈에 등장했을 때 움직이는 방향과 마찬가지로 지속적으로 변화하고 있습니다.  이것이 의미하는 바는 이 제트가 지름 약 0.4광년의 최초발생지역에서부터 매우 복잡한 방법으로 분출되고 있음을 말해줍니다. EHT를 이용하면 비교적 짧은 파장에서 이를 포착해낼 수 있죠. 
EHT 관측은 이 거품들이 블랙홀에서 VLBA 사진으로 볼 수 있는 제트로 더 멀리 이동할 때 어떻게 만들어지고 가속되는지 볼 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다." 
  
워터루대학 및 퍼리미터연구소에 재직중인 천체물리학자 에이버리 브로데릭(Avery Broderick)의 설명은 다음과 같다.
"EHT의 변형가능한 해상도 연계능력과 이를 해석해내는 새로운 컴퓨터 툴은 3C 279에 관한한 그 진정한 모습이 드러나게 해 주었습니다. 원래는 단일 전파원인 것으로 알았는데 지금은 두 개의 독자적인 복잡한 구조로 판명되었죠. 
그리고 이들의 움직임, 심지어 그 폭이 고작 몇 광월 밖에 되지 않는 작은 범위의 움직임에 대해서도 이들이 우리 쪽으로 빛의 속도의 99.5%에 육박하는 속도로 다가오고 있음을 알게 되었습니다."
 
3C 279의 제트는 이처럼 빠른 움직임 때문에 마치 광속보다 20배나 더 빠르게 움직이는 것처럼 보인다. 
하바드스미스소니언천체물리학센터(the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, CfA)의 박사후연구원인 돔 페세(Dom Pesce)는 이러한 현상이 물질이 우리 쪽으로 다가오면서 방출된 빛이 원래보다 더 빠르게 보이는 독특한 착시현상일 뿐이라고 말했다. 

 

예상밖의 기하학적 특성은 이동중인 충격파 또는 구부러지고 회전하는 제트에 존재하는 불안정성의 존재를 제안하고 있다. 
이들은 감마선과 같은 고에너지 복사를 설명해 줄 수 있을지도 모른다. 

VLBI관측의 일원인 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)의 수석 천문학자 비올레테 임펠리제리(Violette Impellizzeri)는 이번 연구결과가 어떻게 제트가 분출되는지를 연구하고 있는 사람에게는 꿈이 이루어진것과 같은 연구라고 평가하면서 다음과 같은 소감을 전했다. 
"저는 이번 관측을 지원한 일원 중 한 명이라는 사실에 특별한 기쁨을 느끼고 있습니다. 저는 이 연구단과 함께 제 박사학위를 딸 수 있었고 이미 15년 전부터 제트가 발생하는 기저부를 분석하기 위한 고단한 작업들을 해 오고 있었답니다."

EHT 창립이사인 솁 도엘레만(Shep Doeleman)은 EHT 배열은 개선을 거듭하고 있다면서 다음과 같은 소감을 밝혔다.
"이번 연구결과는 EHT의 독보적인 관측 능력이 광범위한 과학적 질문에 대응할 수 있음을 보여주고 있습니다. 
배열에 참여하는 새로운 망원경이 계속되면서 EHT의 능력은 지속적으로 성장할 것입니다. 우리팀은 현재 차세대 EHT배열 작업을 진행중에 있습니다. 차세대 EHT는 블랙홀을 훨씬 더 자세하게 볼 수 있게 해 줄 것이고 이를 통해 영화와 같은 첫 번째 블랙홀 영상을 만들 수 있게 될 것입니다."
  

이번 연구에는 아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열(the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA), 
아타카마 패스파인더 익스페러먼트 (Atacama Pathfinder Experiment, APEX), IRAM 30미터 망원경(the IRAM 30-meter telescope), 제임스클락맥스웰 망원경(the James Clerk Maxwell Telescope), 거대밀리미터망원경(the Large Millimeter Telescope), 서브밀리미터배열(the Submillimeter Array), 서브밀리미터망원경(the Submillimeter Telescope), 남극망원경(the South Pole Telescope)이 참여하였다. 

 

Credit: NRAO/AUI/NSF
도표> 2017년 관측에 참여한 EHT네트워크  

 

출처 : 미국국립전파천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2020년 4월 7일자 

          https://public.nrao.edu/news/something-is-lurking-in-the-heart-of-quasar-3c-279/

 

참고 : 3C 279를 비롯한 퀘이사에 대한 각종 포스팅 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346987