블랙홀 제트의 모양

일부 은하의 중심 블랙홀에서 방출되는 입자 제트는 천문학자들이 오랫동안 가정했던 것처럼 보이지 않는다. 그 모양의 섬세함은 제트기의 내부 작동을 드러낼 수 있다.

 

대부분의 은하 중심부에 있는 초대질량 블랙홀의 대부분은 정지해 있지만, 그 중 일부는 활동은하핵이 된다. 천문학자들은 전자기 스펙트럼을 가로질러 빛을 내는 것처럼 보이는 원뿔 모양의 쌍둥이 제트를 식별함으로써 수십 년 동안 AGN을 발견해왔다. 이러한 관측에 기초하여, 제트가 원뿔 모양을 하고 있다는 생각은 널리 받아들여졌다. 지난 10년 동안만 그 제트기들의 복잡성이 조사되었다. 그들의 모양에 대한 연구에서, 새로운 증거는 많은 제트들이 더 친숙한 원뿔 모양으로 이동하기 전에 포물선 프로파일을 가지고 있다는 것을 시사한다. 어떤 힘이 이동을 일으키는지, 그리고 일반적으로 제트의 모양은 블랙홀과 은하 사이의 중력 상호작용에서부터 주변 가스에 의한 절연에 이르기까지 다양한 추측과 함께 활발한 연구의 대상이 되고 있다. 제트기의 모양에 대한 재고는 이론적인 측면에서 시작되었다. 1985년 로마 국립천체물리연구소의 가브리엘레 기셀리니와 공동연구자들은 제트기하학이 방출되는 방사선의 다른 특성을 초래할 것이라고 계산했다. 원뿔 모양은 제트의 전자파 스펙트럼과 같은 특성을 설명한다. 그러나 스펙트럼에 걸친 에너지 분포와 같은 다른 특성은 제트가 포물선과 원추형 성분을 모두 가질 때만 설명될 수 있다. 연구원들은 더 멀리 떨어진 원뿔 모양이 되는 내부 포물선 구조를 제안했다.그럼에도 불구하고, 엄격하게 원뿔형 제트의 패러다임을 뒤집을 수 있는 관측 증거를 얻는 데는 25년이 더 걸렸다. 2012년 대만의 중앙연구소에서 아사다 게이이치와 나카무라 마사노리는 초거대 타원은하 메시에 87(M87)의 중심 블랙홀에서 방출되는 지구를 향한 제트의 입자 속도를 조사했다. 그들은 이전 관측에서 암시된 가속 구역을 찾고 있었다. 아사다는 "자기유체역학 제트 이론에서 가스의 가속과 콜리메이션이 동시에 일어날 것으로 예상된다"고 말한다. "따라서, 우리는 제트 구조를 주의 깊게 확인했습니다." 아사다와 나카무라는 전 세계의 여러 전파망원경을 사용하여 블랙홀로부터 다양한 거리에서 단면을 측정함으로써 제트기의 구조를 조사했다. 지젤리니와 동료들이 예측했던 것처럼, 연구원들은 블랙홀에 더 가까운 제트 부분이 원뿔 모양으로 변하는 포물선 모양을 가지고 있다는 것을 발견했다. 전이는 블랙홀에서 약 2.5 × 105 슈바르츠실트 반지름으로 발생하며, 하나의 슈바르츠실트 반지름은 블랙홀의 사건 지평선의 범위에 해당한다.

천문학자들에게 M87의 블랙홀은 AGN 중에서도 특별하다. 근접성(약 5400만 광년 떨어져 있음)과 큰 질량(약 60억 태양질량)으로 고해상도로 분석할 수 있다. (최근 사건 지평선 망원경에 의해 촬영되었다.) 그렇다면 블랙홀 제트의 예상치 못한 모양은 더 많은 제트가 더 나은 영상 해상도로 유사하게 정교하다는 것을 증명한다는 것을 의미했을까, 아니면 M87의 블랙홀이 특별한가? 연구원들이 제트기가 포물선 기반을 가지고 있는 6개의 블랙홀을 더 발견하면서, 그 해답에 대한 일별이 향후 7년에 걸쳐 나타났다. 말레이시아의 말라야 대학의 후안 카를로스 알가바는 퀘이사 1633+382에서 그들 중 하나를 연구했다. 그는 블랙홀과 다른 블랙홀의 분출물의 모양을 요리용 웍이나 여과기처럼 시작해서 깔때기가 되는 것으로 묘사한다.

M87의 중심 블랙홀의 제트와 마찬가지로 새로 발견된 제트는 AGN에서 약 105에서 106 슈바르츠실트 반경으로 포물선 구조에서 원추형 구조로 전환되었다. 그 특정 거리는 또한 은하의 중력 영향력이 활동핵의 중력 영향력을 능가하는 곳이기 때문에 눈에 띈다. 제트 구조는 내부와 외부 가스 사이의 압력 균형에 미치는 중력 효과에 의해 결정될 수 있다고 아사다는 말한다. "외압을 결정하는 지배적인 성분이 초대질량 블랙홀에서 숙주 은하로 바뀌기 때문에 이러한 변화가 일어날 수도 있습니다." 지난해 블랙홀 제트의 장기 관측을 수집하고 처리하는 MOJAVE 프로그램의 연구와 함께 새로운 통찰력이 나왔다. 모스크바 물리 기술 연구소의 유리 코발레프와 동료들은 미국 전역에 위치한 10개의 매우 긴 기준선 배열 전파 망원경에 의해 관측된 331개의 제트기를 조사했다. 그들은 20년에 걸친 변화를 도표로 나타낸 이미지 스택 기술을 사용하여 제트기를 분석했다. "그러한 방식으로 우리는 [우리의] 민감도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 특히 제트기가 진화하고 특정 시대에 충분히 밝지 않을 수 있는 부분을 '밝힐' 때 말입니다."라고 퍼듀 대학의 MOJAVE 프로그램 리더 매튜 리스터는 말한다. 연구진은 10개의 제트기에서 포물선에서 원뿔로의 전이를 발견했는데, 모두 지구에서 10억 광년 미만의 상대적으로 가까운 거리에 위치해 있다.

 

MOJAVE 결과는 천문학자들이 충분한 해상도로 대부분의 제트가 포물선-원뿔 모양을 가지고 있음을 발견할 것임을 시사하는 것으로 보인다. 하지만 다른 무언가가 작용할 수 있다고 리스터는 말한다. 먼 곳의 제트들은 관측하기 위해 더 강력해야 하며, 이전의 연구는 그러한 제트들이 다르게 행동할 수 있다는 것을 보여주었다. 리스터는 "포물선-원추형 전이는 추가적인 특성일 수 있다"고 말했다. MOJAVE 연구진이 제안한 또 다른 잠재적인 설명은 제트가 초기에 시준되고 자기적으로 가속되며, 대부분의 자기 에너지가 제트 입자의 운동 에너지로 변환될 때 형상 전이가 일어난다는 것이다. 올 봄에 발표된 한 연구에서 추가적인 주름이 생겼다. 독일 막스 플랑크 전파천문연구소의 비아 보카디와 동료들은 은하 NGC 315의 중심 블랙홀이 지구를 향하는 제트에서 포물선 모양에서 원뿔 모양으로 변하는 현상이 약 103 슈바르츠실트 반경에서 일어난다는 것을 발견했다. 이 거리가 확인되면 중력 영향 시나리오에서 벗어날 것이다. NGC 315에 관해서는 아직 해야 할 일이 더 있다. 비슷한 시기에 발표된 또 다른 연구는 제트 전이를 더 먼 거리에 두었다. 한편, 최근의 일부 연구는 다른 제트들도 블랙홀에 더 가까운 포물선 모양을 잃는다는 것을 시사한다. 그들의 연구를 바탕으로, 보카디와 그녀의 동료들은 블랙홀을 둘러싸고 있는 부착 원반의 가스 온도에 의존하는 제트를 형성하는 데 도움이 될 수 있는 또 다른 메커니즘을 제안했다. 보카디는 "블랙홀 주변의 매질은 복잡하다"고 말했다. "중력권 내에는 강착원반에서 방출되는 유출뿐만 아니라 가스가 유입된다." 그녀는 여러 은하에서 AGN을 조사할 때, 더 먼 거리에서 포물선 모양을 유지하는 제트는 차가운 가스를 공급받는 강착 원반에서 오는 경향이 있다고 말한다. 보카디는 차가운 가스가 강착원반에서 상승하는 차가운 가스가 원반 바깥쪽으로 이동하는 경향이 있는 반면, 따뜻한 가스는 안쪽 영역에 고정되기 때문에 불안정으로부터 시준된 흐름을 보호하기 위한 피복으로 작용할 수 있다고 생각한다.

 

미래의 관찰이 무엇을 나타내든, 검색이 제트의 모양을 넘어서기 시작하고 있으며 이제 그들의 내부 작업을 탐구할 수 있다는 것은 분명하다. 검증해야 할 이론이 부족하지 않다. 매우 긴 기준선 배열과 사건 지평선 망원경과 같은 매우 긴 기준선 간섭계를 통해 연결된 전파 망원경 네트워크를 사용하여, 연구자들은 은하간 도달을 통해 우주 제트의 복잡성을 근원에서 밝혀낼 것으로 기대할 수 있다.