이중 블랙홀 - 서로 가까이 붙어 있는 UGC 4211의 이중 블랙홀

2023. 2. 1. 14:223. 천문뉴스/국립전파천문대(NRAO)

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)

천문학자들이 ALMA를 이용하여 충돌하는 은하 UGC 4211의 심장을 들여다 보았으며 
이곳에서 고작 750광년의 거리를 두고 성장을 계속하고 있는 이중 블랙홀을 발견하였다. 
이 상상화는 충돌의 막바지에 다다른 은하와 그 중심에 품고 있는 두 개의 블랙홀을 그린 것이다. 
이번에 발견된 이중 블랙홀은 다파장 관측 사상 서로 가장 가까이 붙어 있는 것으로 판명되었다. 


이중 블랙홀 - 서로 가까이 붙어 있는 UGC 4211의 이중 블랙홀



ALMA(아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 배열, the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용하여 근거리의 충돌은하를 관측하는 중에 중심 부근에서 지속적으로 몸집을 키우고 있는 한 쌍의 블랙홀을 발견했다. 
이 블랙홀들은 다중파장을 이용한 관측으로는 지금까지 관측한 블랙홀 중 서로 가장 가까이 다가서 있는 상태이다. 
이번 연구는 은하의 충돌로 만들어지는 이중블랙홀이라는 사건이 아주 일반적인 일일지도 모른다는 점을 시사하고 있다. 

이번 연구 결과는 2023년 1월 9일 아스트로피지컬 저널(The Astrophysical Journal Letters)에 발표되었다. 

은하의 충돌은 대개 멀리 떨어진 우주에서 발생한다. 

하지만 UGC4211은 게자리 방향으로 고작 5억 광년밖에 되지 않는다. 

따라서 UGC4211은 은하 충돌의 마지막 단계를 연구할 수 있는 이상적인 대상이다. 

과학자들은 ALMA의 고감도 1.3mm 수신기를 이용하여 이 은하의 활성은하핵을 들여다 보았다. 
활성은하핵이란 중심 블랙홀 주위에 강착된 물질들로 강력한 빛을 쏟아내는 지역을 말한다. 

 

과학자들이 관측을 통해 발견한 것은 충돌로부터 발생하는 부산물들을 게걸스럽게 집어삼키고 있는 두 개의 블랙홀이었다. 
놀랍게도 두 개 블랙홀 간의 거리는 고작 750광년에 지나지 않았다. 

유레카사이언티픽(Eureka Scientific)의 선임과학자이자 이번 연구논문의 주저자인 마이클 코스(Michael Koss)의 설명은 다음과 같다.
"시뮬레이션 결과에 따르면 우리 인근에 있는 은하의 이중블랙홀들은 대개 비활성 상태입니다. 
 하지만 이번에 발견한 두 개 블랙홀은 성장을 계속하고 있는 블랙홀들이었습니다.

 가까운 거리에서 서로 바짝 붙어 있는 이중 블랙홀이 발견되었기 때문에

 이 흥미로운 현상을 상세하게 연구할 수 있는 길이 닦인 샘입니다.

 머나먼 우주에서 은하의 충돌은 훨씬 더 일상적으로 일어나는 일이기 때문에 
 이중 블랙홀의 존재 역시 이전에 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 일반적인 현상일지 모릅니다."

코스와 그의 연구팀의 가정처럼 서로 바짝 붙어 있는 이중블랙홀이 일상적인 현상이라면 이는 향후 발생할 중력파에 대해서 중요한 의미가 될 수 있다. 

이번 논문의 공동저자인 칠레 산티아고 카톨릭대학(the Pontificia Universidad Catolica) 에스겔 트라이스터(Ezequiel Treister)의 설명은 다음과 같다.
"그저 아직까지 발견되지만 않았을 뿐, 중심에  성장을 계속하고 있는 초거대질량의 이중블랙홀을 품고 있는 은하는

 아주 많을지도 모릅니다.
 만약 그게 맞다면 머지 않아 우리는 이 블랙홀들의 충돌로부터 만들어진 중력파를 좀더 자주 관측하게 될 것입니다. "  

ALMA를 통해 획득한 다파장 관측 데이터에 찬드라나 허블, VLT나 켁과 같은 강력한 망원경의 관측 데이터가 더해져서
이미 충분한 주의를 끌고 있는 중력파 이야기에 세밀한 내용이 더해졌다. 

트라이스터의 설명은 다음과 같다. 
"각각의 파장은 하나의 이야기에서 서로 다른 부분들을 말해줍니다. 
 예를 들어 지상에 있는 망원경이 촬영한 사진은 충돌하는 은하 전체의 모습을 보여주죠. 
 허블우주망원경의 데이터는 이 은하의 중심핵을 고해상도로 보여줍니다. 
 X선 관측 데이터는 이 은하의 최소 한 개 이상의 활성은하핵이 있음을 말해주죠. 
 ALMA의 데이터는 성장을 계속하고 있는 이 두 개 블랙홀의 정확한 위치를 보여줍니다. 
 모든 데이터가 합쳐지면 우리 은하 미리내와 같은 보통 은하들이 앞으로 어떤 사건을 겪게 될 지 알 수 있습니다." 

 

아직까지 과학자들은 은하충돌의 초기 단계에 대한 연구에 주로 머물러 있다. 

 

이번 연구는 우리은하 미리내에 임박한 안드로메다 은하와의 충돌에 대한 이해에 깊은 영향을 끼치게 될 것으로 보인다. 
코스의 설명은 다음과 같다. 
"미안충돌, 즉,  미리내와 안드로메다 은하의 충돌은 이른 초기 단계에 이미 진입하였으며

 약 45억 년 후 본격적인 충돌이 진행됩니다.  
 이번에 우리가 연구한 것은 충돌의 최종 단계가 어떨지에 대한 것입니다. 
 따라서 우리가 보는 것은 충돌에 대한 예언이라 할 수 있으며 이를 통해 블랙홀간의 충돌과 성장, 

 그리고 최종적으로 만들어지는 중력파까지의 연관성에 대한 통찰을 얻을 수 있습니다."
 
미국국립과학재단의 NRAO 프로그램관리자인 조 페시(Joe Pesce)의 평가는 다음과 같다. 
"이번 놀라운 발견 결과는 ALMA의 관측 능력은 물론 다파장 천문학이 블랙홀이나 활성은하핵, 은하의 진화와 같은 

 우주의 이해를 넓히는데 중요한 결과를 만들어낼 수 있음을 말해줍니다. 
 중력파 탐지기의 출현과 함께 우리는 모든 능력을 동원함으로써 관측 능력을 향상시킬 수 있는 기회를 맞고 있습니다. 
 저는 우리의 배움을 제한하는 한계는 없다고 생각합니다."

 

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Koss et al (Eureka Scientific)

다파장으로 관측한 UGC 4211의 모습. 

이 프로젝트에는 여러 관측 프로그램과 망원경이 참여하였다. 

우선 암흑에너지카메라가 수집한 관측데이터 서베이(the Dark Energy Camera Legacy Survey, DECalS) 에서는
체로 톨로로 전미천문대(Cerro Tololo Inter-American Observatory, CTIO) 의 블랑코 4미터 망원경을 활용하였다. 
또한 ESO 초거대망원경(Very Large Telescope, VLT)에 장착된 광시야분광관측기(the Multi-Unit Spectroscopic Explorer, MUSE)의 데이터도 활용되었으며 켁 천문대와  ALMA의 관측 데이터도 추가되었다. 
여러 개의 파장을 이용하여 획득한 데이터로 과학자들은 은하의 충돌 이상의 내용을 알 수 있었다. 

 


출처 : 미국국립전파천문대(National Radio Austronomy Observatory) News Release  2023년 1월 9일자