우주 이야기 513 - 은하 중심 블랙홀 제트의 비밀을 밝히다.

(This false-color image of the radio jet and lobes in the very bright radio galaxy Cygnus A is an example of the powerful jets that can be produced by supermassive black holes at the cores of large galaxies. Credit: R. Perley, C. Carilli & J. Dreher )

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 역설적이지만, 블랙홀은 우주에서 가장 빠른 속도로 물질을 뿜어내는 천체입니다. 블랙홀로 들어가는 모든 물질이 빛조차도 빠져나올 수 없는 사상의 지평면 아래로 사라지는 것이 아니라 일부는 블랙홀 주변의 강력한 자기장의 영향을 받아 제트의 형태로 빠져나오게 됩니다. 따라서 블랙홀이 더 많은 물질을 빨아들일수록 더 강력한 제트가 발생합니다.

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 가장 강력한 제트는 은하 중심 블랙홀에서 발생합니다. 이중에는 은하 중심부를 뚫고 나와 은하계 외부까지 제트를 분사하는 강력한 것도 존재합니다. 하지만 블랙홀의 제트가 은하 중심부의 두터운 가스를 뚫고 나오는 메카니즘은 아직 완전히 알려지지 않고 있습니다.

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 캘리포니아 대학의 이론 천체 물리학자인 알렉산더 체호프스코이(University of California, Berkeley theoretical astrophysicist Alexander Tchekhovskoy)와 그의 동료들은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 이 과정을 규명했습니다. 이를 위해 2000 개의 컴퓨터 코어와 500시간의 연산이 필요했다고 합니다.

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 이를 통해 규명된 은하 중심 블랙홀의 제트는 사실 구부러지는 드릴로 두꺼운 가스층을 뚫는 것 같은 모양이었습니다. 사실 중심부를 뚫고 나오는 강력한 활동성 제트는 10% 미만입니다.

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(시뮬레이션 영상.  New simulations of the jets produced by rotating supermassive black holes in the cores of galaxies show how, with enough power, the corkscrewing fields (white squiggles) can force their way through surrounding gas and drill out of the galaxy, channeling hot gas into the interstellar medium (top). Less powerful jets get stalled inside the galaxy, however, their magnetic fields breaking and dumping hot gas inside and heating up the galaxy. Credit: Simulations by Alexander Tchekhovskoy, UC Berkeley, and Omer Bromberg, Hebrew University.)

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 블랙홀은 자기장을 지니고 있습니다. 이 자기장은 매우 강력해서 자전 방향에 수직으로 제트를 분출하는 원동력이 됩니다. 하지만 동시에 이 자기장은 매우 불안정해서 주변 환경과 물질에 많은 영향을 받습니다. 물론 블랙홀로 흡수되는 물질의 양에도 많은 영향을 받습니다. 시뮬레이션에서는 대부분의 경우 이 제트가 안정적으로 가스층을 뚫고 나오지 못했는데, 실제로도 그렇습니다.

 이번 연구에서는 블랙홀의 제트의 활성화가 시작되면 1000만년에서 1억년 정도 지속되는 것으로 나타났습니다. 역설적이지만 제트가 너무 강력하면 주변으로 흡수되는 물질과 자기장에 영향을 주어 불안정해지고 결국 제트의 힘이 약해지는 결과를 낳게 됩니다. 반면 지금은 약한 제트라도 시간이 지남에 따라 더 강력한 제트가 될 수 있습니다.

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 더 나아가 블랙홀의 제트는 일종의 음성 피드백을 통해 블랙홀의 질량을 조절합니다. 강력하지만 불안정한 제트는 블랙홀 주변의 가스에 에너지를 전달하면서 주변 가스를 밀어내면서 뜨겁게 달구게 됩니다. 이는 가스가 블랙홀로 흡수되는 것을 막아 블랙홀의 질량을 대개의 경우 태양 질량의 100억 배 이내로 커지지 않게 만듭니다. 물론 일부 예외적으로 큰 블랙홀이 있기는 하지만 이는 은하의 모든 가스가 블랙홀로 빠져들지 않게 만드는 안전 장치인 셈입니다.   

 블랙홀의 제트는 은하의 진화에서 생각보다 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 동시에 블랙홀의 존재를 아주 멀리서 알 수 있는 등대같은 역할을 합니다. 이름과는 달리 제트 덕분에 블랙홀은 우주에서 가장 밝게 빛나는 천체 중 하나입니다.

참고

C. J. Clarke et al. A self-similar solution for thermal disc winds, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2016). DOI: 10.1093/mnras/stw1178                                         

  http://phys.org/news/2016-06-black-hole-jets-galaxies.html#jCp

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