100만 광년 이상 떨어진 다수 은하계에 걸친 단일 블랙홀이 별을 생성하는 모습이 관측됐다.

미 항공우주국(NASA) 찬드라 X-선 관측소(Chandra X-ray Observatory)와 다수 망원경이 포착한 최근 관측에 따르면 블랙홀은 백만 광년 이상 떨어진 여러 은하계에 걸쳐 별을 만드는 것으로 보인다. 1광년은 약 9조 4600억 km거리다.

이탈리아 볼로냐의 국립 천체물리연구소(INAF) 로베르토 길리(Roberto Gilli)는“이번 발견은 한 번에 여러 개의 은하에서 단일 블랙홀 기반 별 탄생을 포착한 것”이라며 “한 은하의 블랙홀이 백만 광년 떨어진 다른 은하에서 어떤 일이 일어날 수 있는지 말할 수 있다는 것은 놀라운 일”이라고 말했다.

블랙홀은 빛도 빠져 나가지 못하는 매우 조밀한 물체다. 블랙홀의 거대한 중력은 주변의 가스와 먼지를 끌어 당기는 반면, 이온 입자가 거의 빛의 속도로 튀어 나올 수 있다. 이 빠르게 움직이는 입자는 블랙홀의 극 가까이 빔 또는 ‘제트’를 형성한다.

과학자들의 새로운 연구에서 관측된 초대질량 블랙홀은 지구로부터 약 99억 광년 떨어진 은하 중심에 위치하고 있다. 유럽 남방 천문대의 VLT (Very Large Telescope)와 LBT(Lang Binocular Telescope) 관측에 따르면 이 은하에는 적어도 7개의 인접 은하가 있다.

이번 관측은 과밀도 은하계 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성된 일종의 거대 발광체, 퀘이사(Quasar)다.

미국 NSF(National Science Foundation)의 KJVLA(Karl Jansky Very Large Array)를 사용해 과학자들은 약 백만 광년 거리 고 에너지 입자 제트에서 전파 방출을 감지했다. 제트는 활성 은하(active galaxy)의 초대질량 블랙홀 활성은하핵(AGN)에서 기원한다. 그곳에서 찬드라는 블랙홀 주변 뜨거운 가스가 소용돌이 치는 강력한 엑스선 분출을 감지했다.

길리와 동료 연구자들은 또한 전파 제트의 한쪽 끝을 둘러싸고 있는 X- 선 방출 확산을 감지했다. X-선 방출은 제트 에너지 입자와 주변 물질의 상호 작용으로 가열되는 거대한 뜨거운 가스 버블에서 발생한다.

뜨거운 버블이 팽창해 네 개의 인접한 은하계를 휩쓸면서 은하계의 차가운 가스를 압축해 별이 형성되는 충격파를 만들 수 있었다. 4개의 은하 모두 버블 중심으로부터 대략 40만 광년 거리다. 저자들은 별의 형성 속도가 지구와 비슷한 거리에 유사한 질량을 가진 일반적인 은하보다 약 2 배에서 5 배 높다고 추정한다.

이탈리아 볼로냐 INAF의 공동 저자 마르코 미그놀리(Marco Mignoli)는“미다스 왕의 이야기는 금속을 금으로 바꿀 수 있는 마법의 손길에 대해 이야기한다. 여기에는 가스를 별로 바꾸는 데 도움이 되는 블랙홀의 사례가 있으며, 그 범위는 은하계”라고 말했다.

천문학자들은 블랙홀이 “음성 피드백(negative feedback)”을 통해 주변 환경에 영향을 미치는 많은 경우를 보았다. 새로운 별 형성 중단을 의미하는 것으로 블랙홀 제트가 은하 또는 은하단의 뜨거운 가스에 너무 많은 에너지를 투입해 가스가 많은 별을 만들 정도로 충분히 식을 수 없을 때 발생할 수 있다.

새로 발견된 은하 집합은 블랙홀 효과가 별 형성을 증가시키는 “긍정적 피드백(positive feedback)”의 드문 사례다. 앞서 발견된 긍정적 피드백은 별 형성 속도 30% 이하 증가와 관련, 근처 동반 은하에서 단지 약 2만에서 5만 광년의 규모로 발생했다. 피드백이 긍정적인지 부정적인지는 가스 구름의 가열 속도와 냉각 속도 사이의 섬세한 균형에 달려 있다. 충격파에 닿을 때 처음에 시원한 구름은 긍정적 피드백을 경험하기 쉽고 더 많은 별을 형성한다.

미국 메릴랜드주 볼티모어의 존스 홉킨스대 공동 저자 콜린 노먼(Colin Norman)은 “블랙홀 생성 뜨거운 버블을 본 것은 깊은 관찰 결과”라며 “이와 유사한 물체를 목표로 우리는 은하단 별 형성에 긍정적 피드백이 매우 일반적이라는 것을 발견할 수 있다”고 말했다.

논문은 ‘천문과 천체물리(Astronomy and Astrophysics)’저널 최신호에 게재됐다. NASA의 마샬 우주비행센터(Marshall Space Flight Center)는 찬드라 프로그램을 관리한다.

*논문 :Discovery of a galaxy overdensity around a powerful, heavily obscured FRII radio galaxy at z = 1.7: star formation promoted by large-scale AGN feedback?

DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936121

*퀘이사와 활동은하핵

퀘이사(Quasar, Quasi-stellar Object, 준항성체)는 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 거대 발광체이다.

퀘이사는 주로 폭발적으로 별을 만들어 내는 은하들에서 주로 발견된다. 따라서 은하의 별 생성과 중심의 블랙홀 성장은 함께 이루어지는 것으로 보이지만, 이 두 가지의 과정이 어떻게 상호작용을 하는지는 아직 정확히 알려져 있지 않으며, 외부은하 천문학의 활발한 연구 주제 중의 하나다. 퀘이사에서 물질 또는 에너지 방출이 은하의 별 생성을 멈추기도 하고, 퀘이사의 강한 제트가 은하단의 뜨거운 가스들이 식어서 별을 만드는 것을 방해한다고 알려져 있다.

활동은하핵(active galactic nucleus; AGN)은 전자기 스펙트럼의 일부, 또는 모든 대역에서 보통 이상의 광도를 내는 은하 중심에 존재하는 컴팩트한 영역이다. 활동은하핵이 있는 은하는 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등 다양한 파장에서 다량의 에너지를 방출한다. AGN을 품고 있는 은하를 활동은하(active galaxy)라고 한다. AGN의 전자기 복사는 은하 중심의 초대질량 블랙홀 주위로 질량이 강착돼 발생하는 것으로 알려졌다.