스페이스 클럽 천문학자들은 300일 후 초질량 블랙홀이 우주 식사를 탐닉한 후 전파 제트를 '트림'하는 모습을 목격합니다

[우주센터]

"NGC 1275는 블랙홀 제트가 넓은 공간 규모에 미치는 영향을 다른 어떤 시스템보다 잘 밝혀냅니다."

초대질량 블랙홀이 플라즈마 제트를 분출하는 일러스트입니다 (이미지 출처: Robert Lea (Canva로 제작))

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NASA의 X선 우주선 스위프트와 전파 관측을 결합해, 천문학자들은 무거운 우주 식사 후 300일 후에 전파 제트를 분출하는 초질량 블랙홀을 관측했습니다. 또한 팀은 수천 개의 은하가 모여 있는 거대한 집합체인 페르세우스 성단의 중심에 위치한 이 먹이 기반 우주 타이탄의 질량도 대략 추정할 수 있었습니다.

블랙홀은 약 225광년 떨어진 은하 NGC 1275의 중심에 위치하며, 페르세우스 성단에서 가장 밝은 은하입니다. 초대질량 블랙홀은 처음에 X선으로 플레어를 보였는데, 이는 물질을 흡수하는 속도가 증가했음을 나타냈다. 능동적으로 먹이를 주는 초대질량 블랙홀은 활동 은하핵(AGN)이라 불리는 영역에 위치하며, 엄청난 중력으로 인해 물질을 가열하여 밝게 빛납니다. 이 방출은 중심 블랙홀의 극지방으로 유도되는 물질에 의해 증폭되며, 그곳에서 강력한 쌍둥이 제트로 분출되어 전자기 스펙트럼, 특히 전파로 빛납니다.

NGC 1275 중심부의 AGN에서 전파 플레어링을 통해 관측한 다음 전파 제트는 블랙홀을 둘러싸고 공급하는 물질 원반인 흡수 원반과 그것이 발사하는 제트 간의 관계를 이해하는 데 매우 중요합니다. 이른바 원반-제트 결합은 블랙홀이 위치한 은하에서 별 형성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 그 은하들의 성장에 미치는 영향을 더 잘 이해하는 데 핵심적입니다.

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이런 관찰을 하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. X선 방출을 관측하는 데 이상적인 우주선은 찬드라이지만, NGC 1275를 관측하는 빈도는 낮아 장기적인 거동을 관측할 수 없습니다. NASA의 닐 게렐스 스위프트 천문대는 찬드라만큼의 출력은 부족하지만, 2004년에 발사된 이후 NGC 1275와 그 중심 초대질량 블랙홀에 관한 방대한 데이터를 수집했습니다.

"NGC 1275가 거대한 페르세우스 은하단의 중심에 있기 때문에 이 AGN의 내부 영역을 관측하기가 꽤 어렵습니다. 이 은하단은 관측에 추가적인 빛을 더해줍니다,"라고 미시간 대학교의 팀장 사라 케첨이 Space.com 에게 말했습니다. "우리는 아카이브 스위프트 데이터에서 클러스터 방출을 제거할 수 있는 모델을 개발했고, 이를 통해 2007년부터 2025년까지 NGC 1275에서 블랙홀에 가스가 흡수되는 X선 플럭스의 변화를 관찰할 수 있었습니다."

케첨은 스위프트의 능력이 디스크-제트 결합 연구에 이상적인 실험실인 NGC 1275 연구에 핵심적이라고 덧붙였다.

"AGN이 있는 다른 은하들에 대한 연구들은 X선 빛으로 추적된 가스 축적과 전파 빛으로 추적된 제트 내 가스 분출 사이의 결합 증거를 보여주었습니다. 하지만 NGC 1275는 블랙홀 제트가 넓은 공간 규모에 미치는 영향을 다른 어떤 시스템보다 더 잘 드러낸다,"고 미시간 대학교 연구원은 덧붙였다.

이 블랙홀은 별을 먹지 않았다

케첨과 동료들은 2023년 2월 NGC 1275에서 역대 가장 강한 X선 플레어를 관측했습니다. 60일도 채 되지 않아 두 번의 5일짜리 폭발로 구성된 이 에피소드는 NGC 1275 중심부의 AGN의 X선 밝기가 두 배로 증가하는 것을 보여준다.

플레어링이 너무 심해서 팀은 조수 교란 사건(TDE)이 원인일 가능성을 배제해야 했다. 이런 현상은 불운한 별의 궤도가 초질량 블랙홀의 거대한 중력 영향에 너무 가까이 다가갔을 때 발생합니다. 이 영향은 강력한 조석력을 생성하여 별을 동시에 눌러내고 '스페게티파이' 시키고, 블랙홀이 플라즈마 파스타를 먹을 수 있게 합니다.

"우리는 TDE가 원인일 가능성을 배제할 수 있었다,"고 케첨은 말했다. "따라서 플레어링은 물질이 블랙홀에 흡수되는 속도가 급증하면서 발생했을 가능성이 큽니다."

스위프트 데이터를 이용해 AGN이 방사선을 방출하는 반경을 추론할 수 있었습니다. 블랙홀의 크기가 질량과 직접적으로 연관되어 있기 때문에, 연구진은 NGC 1275 중심부에 있는 블랙홀의 질량을 제한할 수 있었습니다. 그들은 이 초대질량 블랙홀의 질량이 태양 질량의 1억 배에서 태양 질량 10억 배 사이임을 밝혀냈습니다.

팀은 이후 X선 방출과 NGC 1275 가스를 교란시키는 전파 제트 간의 관계를 더 잘 이해하기 위해 데이터를 기존 전파 데이터와 비교했습니다.

찬드라 망원경과 VLT가 관측한 페르세우스 성단과 그 중심 초대질량 블랙홀은 흰색으로 표시되어 있습니다. (이미지 출처: 엑스레이: NASA/CXC/SAO/V. Olivares 외; 광학/적외선: DSS; H-알파: CFHT/SITELLE; 켄타우루스 성단: 엑스레이: NASA/CXC/SAO/V. Olivaresi 외)

케첨은 자신과 동료들이 X선 플레어와 전파 방출 사이에 약 300일 정도 지연된 잠정적 증거를 발견했다고 덧붙였다. 이는 플라즈마가 제트의 기저에서 주변 가스나 먼지에 부딪혀 발생하는 매듭이나 충격까지 이동하는 데 걸리는 시간을 나타냅니다.

"앞으로 더 시험해봐야 해. "우리의 X선 데이터는 NGC 1275의 변화를 드물게 샘플링할 뿐입니다."라고 케첨은 말했다. "이로 인해 광도 곡선의 넓은 부분에서 X선과 전파 방사선 간의 정확한 관계를 파악하기 어렵기 때문에, 이 연결을 더 연구하려면 더 많은 X선 데이터가 필요합니다."

연구자는 X선 플레어가 블랙홀 근처에서 발생하면 이 플레어의 반향이 강착 원반에서 나오는 것을 볼 수 있다고 덧붙였습니다.

"NGC 1275 데이터에서 중성 철의 방출선이 관찰되었고, 이것이 에코일 수 있습니다. 하지만 그 연결성을 확실히 확립하려면 XMM-뉴턴과 XRISM(X선 영상 및 분광 임무)을 이용한 많은 관측이 필요할 것입니다."라고 케첨은 결론지었습니다.

이 연구팀은 Astrophysical Journal Letters에 게재 승인되었으며, 사전 검토 버전은 저장소 사이트 arXiv에서 제공되고 있습니다.

스페이스 클럽(Space Club)