(It wasn't until the advent of X-ray astronomy that the full picture of the at the galaxy-shaping power of black holes began to emerge with the ability to see plasma. In visible light, the Perseus cluster appears to contain many individual galaxies, separated by seemingly-empty space. In an X-ray image, however, the individual galaxies are invisible, and the plasma atmosphere, centred on the cluster's largest galaxy, known as NGC 1275, dominates the scene. In this image, active galaxy NGC 1275 is the central, dominant member of the large and relatively nearby Perseus Cluster of Galaxies. Wild-looking at visible wavelengths, the active galaxy is also a prodigious source of x-rays and radio emission. NGC 1275 accretes matter as entire galaxies fall into it, ultimately feeding a supermassive black hole at the galaxy's core. This color composite image, recreated from archival Hubble Space Telescope data, highlights the resulting galactic debris and filaments of glowing gas, some up to 20,000 light-years long. Credit: Data - Hubble Legacy Archive, ESA, NASA; Processing - Al Kelly)
X선은 매우 높은 온도를 지닌 물체에서 방출됩니다. 따라서 블랙홀을 비롯 아주 뜨거운 물체가 존재하는 경우 관측이 매우 용이합니다. 다만 지구에서는 관측이 어렵기 때문에 과학자들은 다양한 X선 관측 위성을 우주로 발사해 우주를 연구해왔습니다.
2016년 2월 17일 발사된 일본 JAXA의 히토미 역시 마찬가지 목적으로 발사되었습니다. 당초 계획으로는 히토미는 3년간 임무를 수행할 예정이었고 막대한 X선 영역 관측 결과를 지구로 전송할 것이었습니다. 하지만 3월 26일 지구와의 교신이 두절되었고 히토미의 임무는 38일만에 종료되었습니다. 과학자들에게는 허탈한 소식이었습니다.
하지만 놀랍게도 이 짧은 기간동안 히토미가 지구로 보내온 자료 가운데 중요한 데이터가 존재했습니다. 워터루 대학의 과학자들은 이 데이터를 이용해서 지구에서 2억 4천만 광년 떨어진 거대한 은하단인 페르세우스 은하단 (Perseus cluster)를 연구했습니다.
사실 X선 영역에서는 은하단이나 은하 모두 보이지 않습니다. 보이는 것은 매우 희박한 농도로 존재하지만, 수백만도의 뜨거운 입자들로 구성된 플라즈마입니다. 이 희박한 플라즈마 가스는 X선 영역에서 쉽게 관측이 가능합니다. 그런데 이 플라즈마가 과연 어디서 기원한 것일까요? 아마도 은하 중심의 거대 질량 블랙홀이 그 기원으로 생각되고 있습니다.
페르세우스 은하단에는 태양 질량의 1억배에서 10억배에 이르는 거대한 은하 중심 블랙홀이 존재합니다. 이들은 흡수한 가스를 뜨거운 플라즈마 형태의 제트로 분사하는데 종종 은하계 밖으로 분출됩니다. 이 뜨거운 입자의 밀도는 물론 매우 희박하지만, 은하단 주변을 둘러쌓는 거대한 대기 혹은 코로나 같은 구조물을 만들기에는 충분합니다.
연구팀은 이 뜨거운 가스가 다양한 방향으로 은하와 은하단의 진화에 영향을 미친다는 것을 밝혀냈습니다. 이들은 이 은하단의 중심에 있는 NGC 1275 은하를 연구했습니다. 이 은하의 은하 중심 블랙홀은 은하 질량의 1/1000 수준으로 작지만, 은하 내부의 물질을 주변으로 뿜어내기 때문에 은하의 진화에서 미치는 영향력은 결코 작지 않습니다.
(An X-ray image reveals the hot plasma that envelopes the Perseus cluster. Located some 240 million light years from earth, the Perseus cluster is one of the largest known structures in the universe. The cluster includes not only the ordinary matter that makes up the galaxies, but an "atmosphere" of hot plasma with a temperature of tens of millions of degrees, as well as a halo of invisible dark matter. Data from the Hitomi satellite reveals that although the black hole at the heart of the Perseus cluster has only one-thousandth of the mass of its host galaxy, and has a much smaller volume, it seems to have a huge influence on how the galaxy and how the surrounding hot plasma atmosphere evolve. Credit: University of Waterloo)
과학자들은 이런 블랙홀이 결국 은하의 가스를 흡수해서 은하 밖으로 밀어내므로 은하의 성장을 방해한다고 생각해왔습니다. 하지만 연구팀은 이런 은하단 플라즈마들이 다시 새로운 은하로 흡수되면서 새로운 별과 은하를 만드는 재료가 될수도 있다고 생각하고 있습니다. 즉 은하 중심 블랙홀이 은하단의 대기를 만들고 더 나아가 은하를 성장시키는 원동력이 되는 것입니다.
블랙홀은 은하의 진화에서 두 가지 다른 작용을 할 수 있는 것 같습니다. 은하를 성장시키기도 하고 은하의 성장을 멈추는 힘이 되기도 합니다. 이런 다양한 작용을 통해서 우리가 사는 우주가 만들어지는 것이겠죠. 비록 한 달 남짓이었지만, 히토미 덕분에 우리는 이와 같은 사실을 더 잘 이해할 수 있었습니다. 3년은 아니라도 1년 만이라도 제대로 관측을 했다면 어땠을까하는 아쉬움이 남습니다.
참고
The quiescent intracluster medium in the core of the Perseus cluster, Nature, DOI: 10.1038/nature18627
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