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천문우주과학소식

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알마 망원경에 의한 블랙홀의 정밀 체중 측정

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2015-06-22
  • 조회수 : 2323
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개요
종합 연구 대학원 대학의 大西響子 씨 등의 연구 그룹은 알마 망원경을 이용하여 막대 나선 은하 NGC 1097을 관측하고, 그 중심에 위치하는 초거대 블랙홀이 태양의 1억 4000만 배의 질량을 가지는 것을 분명히 했다. 은하와 거기에 포함되는 초거대 블랙홀은 함께 진화해 왔다고 생각되며 그 관계를 논의하는데 있어서 초거대 블랙홀의 질량은 매우 중요한 정보이다. 이번 결과는 알마 망원경에 의한 2시간 정도의 관측에서 얻은 것이며, 초거대 블랙홀 질량 측정에 알마 망원경이 큰 위력을 발휘하는 것을 보여주고 있다.

[이미지]
그림 1. 유럽 남부 천문대 VLT가 가시광선으로 관측한 NGC1097 Credit: ESO/R. Gendler

연구의 배경
우주에 다수 존재하는 은하의 중심에는 높은 확률로 거대한 블랙홀이 존재한다고 생각되고 있다. 이 블랙홀은 태양의 수백만 배에서 수백 억 배의 질량을 가지는 것부터 "초거대 블랙홀" 이라고 불린다. 지금까지의 연구에서 초거대 블랙홀의 질량과 그것을 포함한 은하(모 은하)의 중심부(볼록한 부분)의 질량이나 밝기 사이에 상관관계가 있는 것으로 알려져 왔다. 이것은 모 은하의 성장·진화에 초거대 블랙홀이 크게 영향을 주고 있는지를 보여준다(은하와 블랙홀의 공진화).

초거대 블랙홀과 모 은하의 관계를 조사하는 것에는 초거대 블랙홀의 질량을 구하는 것을 빠뜨릴 수 없다. 그 질량을 구하는 방법은 지금까지 몇 가지 제안되고 있다. 예를 들어 초거대 블랙홀 바로 근처에 있는 별과 강한 전파를 발하는 "메이저"로 불리는 천체의 움직임을 측정하는 것으로, 초거대 블랙홀이 천체에 미치는 중력의 크기를 계산하고, 블랙홀의 질량을 구할 수 있다. 그러나 이 방법으로는 초거대 블랙홀 바로 근처를 높은 해상도로 관측할 필요가 있기 때문에, 측정이 어렵고, 많은 은하에 적용할 수 있는 방법은 아니다 (주 1,2). 또한 모 은하의 팽창 부에 분포하는 이온화(전리) 가스의 운동에서 추정하는 방법도 있다. 그러나 이온화 가스는 초거대 블랙홀의 중력뿐만 아니라, 은하 중심으로의 가스의 유입 및 유출 등, 다양한 영향을 받고 있어, 정도 높은 측정을 많은 은하에 대해 하는 것이 곤란했다. 현재 가장 일반적인 질량 측정법은 모 은하를 구성하는 별의 운동에서 추정하는 것이다. 그러나, 이 기술은 타원 은하에만 적용할 수 있는 것으로, 나선 은하 등 다양한 은하의 종족에 걸쳐 초거대 블랙홀 질량을 측정하는 것은 지금까지 곤란했다.

이러한 방법 대신에, 유럽 남부 천문대의 데이비스씨 등은 은하 중심부의 분자 가스의 움직임에서 블랙홀의 질량을 구하는 방법을 고안했다. 분자 가스는 별과 이온화 가스에 비해 주위의 영향을 받지 않으며, 초거대 블랙홀의 중력에 따른 움직임을 측정하기 쉽다. 데이비스씨 등은 NGC 4526이라는 은하를 전파 망원경 CARMA로 수십 시간 관측하고, 그 중심에 있는 초거대 블랙홀의 질량을 구했다.

알마 망원경에 의한 연구
국립 천문대에서 연구를 수행하는 종합 연구 대학원 대학 박사과정의 大西響子씨 등의 연구팀은 알마 망원경에 의한 은하 NGC 1097 (주 3)의 관측 데이터를 이용하여, 그 중심에 있는 초거대 블랙홀의 질량 도출에 도전했다. 감도가 높고, 가스의 속도를 정밀하게 측정할 수 있는 알마 망원경은 이 연구에 매우 적합하다.

"데이비스씨 등이 관측한 NGC 4526은 렌즈 형 은하라는 종류의 은하인 반면, NGC 1097은 막대 나선 은하이다. 초거대 블랙홀의 질량과 그것을 둘러싼 은하의 성질과의 관계는 은하 타입에 따라 다른 것으로 알려져 왔으며, 다양한 타입의 은하에서 초거대 블랙홀의 질량을 정도 좋게 구하는 것은 매우 중요하다" 고 大西씨는 말하고 있다.

알마 망원경에 의한 관측에서, 연구팀은 NGC1097 중심 부근에 분포하는 시안화 수소(HCN)와 탄산수소 이온 (HCO +)이 발하는 전파를 관측하고, 분자 가스의 분포와 운동의 모습을 정밀하게 측정했다. 다음 이 가스가 어떤 중력 하에서 운동하고 있는지를, 천체 모델을 작성하고 조사했다. 초거대 블랙홀의 질량의 많고 적음이나 볼록한 부분의 별의 양·분포의 모습에 따라 가스가 받는 중력이 다르기 때문에, 다양한 경우에 대한 모델을 만들어 가스의 움직임을 계산하고, 관측 결과와 가장 잘 일치하는 모델을 찾는 것이다. 이 결과 NGC1097의 중심에 있는 초거대 블랙홀의 질량은 태양 질량의 1억 4000만 배임을 알 수 있었다. 만기형 은하(나선 은하와 막대 나선 은하)에 대해, 이런 방법으로 초거대 블랙홀의 질량을 측정한 것은 이번이 처음이다.

大西씨는 "알마 망원경은 불과 2시간 정도의 관측으로 NGC1097 중심부 가스의 운동 데이터를 얻을 수 있었다. 은하 중심에 있는 초거대 블랙홀의 관계를 밝히는 것에는, 많은 그리고 다양한 타입의 은하에서 블랙홀의 질량을 구할 필요가 있지만, 알마 망원경을 사용하면 현실적인 시간으로 많은 은하의 관측을 실행할 수 있다"고 알마 망원경으로 이후의 관측에 기대를 걸고 있다.

은하가 어떻게 태어나 어떻게 진화해 왔는지, 또 그 중에서 초거대 블랙홀이 어떻게 태어나 성장해 왔는지는 천문학에 있어서의 큰 신비의 하나이다. 이번의 연구와 같이 초거대 블랙홀의 질량을 정밀하게 측정하는 것은 은하와 초거대 블랙홀 공진화의 구조와 역사를 밝히는 첫 걸음이며,이 우주의 역사를 펴서 읽는 것에 이어진다.


[주 1] 초거대 블랙홀 주변의 별의 움직임에서 그 질량을 구하는 방법이 실현될 수 있었던 것은 우리가 사는 은하계의 중심에 있는 블랙홀뿐이다. 이외의 은하는 너무 멀어서 그 중심부에 있는 각각의 별을 분리하여 볼 수 없기 때문에 이 방법으로는 초거대 블랙홀의 질량의 도출이 불가능하다.


[주 2] 1993년 국립 천문대 노베 야마 우주 전파 관측소의 45m 전파 망원경을 통해, 은하 NGC4258의 중심에 상당한 고속으로 이동하는 메이저가 발견된 초거대 블랙홀의 첫 관측적 증거가 되었다. 그러나 초거대 블랙홀 주변에 메이저가 있는 것은 희소하기 때문에, 많은 은하에서는 이러한 방법으로 초거대 블랙홀의 질량을 구하는 것이 곤란하다.


[주 3] NGC 1097은, 화로 자리 방향 약 4700만 광년의 거리에 있는 막대 나선 은하이다.

그림 2. 알마 망원경으로 관측한 NGC1097 중심부. 시안화 수소 (HCN)의 분포를 빨간색으로 탄산수소 이온 (HCO +)의 분포를 녹색으로 표현하고, 가시광선 이미지에 합성하고 있다. HCN과 HCO + 모두가 존재하는 장소는 노란색으로 보이고 있다.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Onishi (SOKENDAI), NASA/ESA Hubble Space Telescope

그림 3. 알마 망원경으로 관측한 HCN 가스의 운동을 색으로 나타낸 그림. 빨간색 부분은 가스가 우리에게서 멀어지는 방향으로, 보라색 부분은 가스가 앞으로 다가오는 방향으로 이동하고 있다.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Onishi (SOKENDAI), NASA/ESA Hubble Space Telescope


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