(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Hubble Space Telescope (NASA/ESA); Carnegie-Irvine Galaxy Survey)
과학자들이 세계 최대의 전파 망원경인 ALMA를 이용해 블랙홀 주변의 sphere of influence 내부를 들여다보고 거대 질량 블랙홀의 질량을 알아내는데 성공했습니다. 벤자민 보이젤레(Benjamin Boizelle, a postdoctoral researcher at Texas A&M University)가 이끄는 텍사스 A&M 대학 (Texas A&M University)과 캘리포니아 대학 (University of California, Irvine)의 과학자들은 지구에서 1억 광년 떨어진 대형 타원 은하인 NGC 3258를 관측했습니다.
이런 대형 은하의 중심에는 태양 질량의 수십억 배에 달하는 초대형 블랙홀이 존재하는데, 은하 중심과 블랙홀을 연구하는 과학자들에게 중요한 연구 목표라고 할 수 있습니다. 하지만 사실 은하 중심 블랙홀의 질량을 정확히 측정하는 일은 과학자들에게도 상당한 도전입니다. NGC 3258의 중심에는 태양 질량의 22.5억배에 달하는 질량을 지닌 거대 질량 블랙홀이 있는 것으로 생각되지만, 이를 검증할 수단이 필요합니다.
통상 블랙홀의 질량은 블랙홀 주변의 물체의 공전 속도를 측정해서 간접적으로 알아냅니다. 예를 들어 블랙홀 주변을 공전하는 별이 있고 이 별의 질량, 공전 주기, 공전 궤도를 알면 블랙홀의 질량을 역으로 계산할 수 있는 것입니다. 하지만 이 경우에도 별을 관측하기에 너무 멀리 떨어진 블랙홀이나 먼지나 가스에 가려 보이지 않는 경우에 측정이 어렵습니다.
연구팀은 ALMA의 서브밀리미터 파장 관측 능력을 이용해서 NGC 3258 중심 블랙홀 주변의 가스 원반의 공전 속도를 알아냈습니다. 블랙홀 주변에는 중력으로 인해 여러 개의 가스 고리가 형성되는데, 이렇게 블랙홀의 중력이 지배하는 공간을 sphere of influence라고 부릅니다. NGC 3258의 거대 질량 블랙홀은 크기 만큼이나 이 범위가 커서 블랙홀 주변에서 500광년 떨어진 거리까지 거대 가스 디스크가 존재합니다. 이런 가스와 먼지에 가린 디스크는 적외선이나 가시광보다 파장이 긴 밀리미터/서브밀리미터 관측이 더 유리합니다. 특히 연구팀이 집중한 것은 일산화탄소 (CO)의 파장이었습니다.
이번 연구에서 밝혀진 흥미로운 사실은 500광년 거리에서 디스크의 이동 속도가 시속 100만km 정도인 반면 가장 안쪽인 65광년 거리에서는 시속 300만km로 세 배 정도 빠르다는 것입니다. 이 가스 디스크의 구조와 입자의 이동 속도를 통해 과학자들은 12% 정도 오차 범위에서 블랙홀의 질량을 밝히고 블랙홀 주변 환경에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
블랙홀은 이름처럼 검지도 않고 모든 것을 흡수하는 역할을 하는 천체가 아닙니다. 블랙홀의 중력과 제트는 은하계의 물질을 분포를 바꿔 은하 진화에 결정적인 역할을 담당합니다. 아직도 수많은 미스터리가남은 블랙홀은 우주에서 가장 매력적인 연구 대상입니다.
참고
B. Boizelle, et al. A Precision Measurement of the Mass of the Black Hole in NGC 3258 from High-Resolution ALMA Observations of its Circumnuclear Disk. The Astrophysical Journal:, Preprint: arxiv.org/abs/1906.06267
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