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제목 [연구] 우종학 교수, 블랙홀 기원을 밝힐 잃어버린 고리, 중간질량 블랙홀 찾다
작성자 관리자 등록일 2019.06.11 조회수 15488

블랙홀 기원을 밝힐 잃어버린 고리, 중간질량 블랙홀 찾다
- 빛의 메아리 효과를 이용하여 태양 10,000배의 블랙홀 질량 측정

 

 

 

 

 

 

 

 

물리천문학부 우종학 교수

(제1저자, 교신저자)

조호진 연구원/대학원생

(제 2저자)

 

 

 

[관련 글 보기]

[2019.06.11. @별아저씨의 집 - 우종학의 과학 이야기 & 사는 이야기] 블랙홀 기원을 밝힐 잃어버린 고리, 중간질량 블랙홀 찾다.    글 보기

 

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관련 기사 전체 보기

** 저작권 법에 의해 기사 원문을 기재하지 않고 주소를 링크 합니다.

 

 

[관련 보도자료]

1. [2019.06.11. nature astronomy] Big surprises from small supermassive black holes    기사 보기

 

2. [2019.06.11. Gemini Observatory Press Release] Gemini Focuses on a Mid-sized Galactic Black Hole   기사 보기

 

3. [2019.06.10. Newsweek] Scientists Discover That This Baffling Black Hole Is Way Smaller Than They Thought It Was    기사 보기

 

4. [2019.06.11. 아이뉴스24] 서울대, 태양질량 1만 배 '원시 블랙홀' 최초로 발견    기사 보기

5. [2019.06.11. 매일경제] 은하 중심부서 중간질량 블랙홀 첫 발견…블랙홀 기원 새 단서    기사 보기

 

6. [2019.06.11. 뉴스1] 왜소은하 속 '작은 블랙홀' 최초 발견…'블랙홀 기원 단서'    기사 보기


7. [2019.06.11. 연합뉴스] 서울대 연구팀, 태양보다 만배 무거운 중간질량 블랙홀 첫 발견    기사 보기

8. [2019.06.11. 동아사이언스] 태양질량보다 1만 배 무거운 블랙홀 발견    기사 보기

 

9. [2019.06.11. 아시아경제] 국내연구진, 은하중심 중간질량 블랙홀 최초 발견    기사 보기


10. [2019.06.11. 조선일보] [사이언스 카페] 국내 연구진, 블랙홀 기원 밝혀줄 단서 발견    기사 보기


11. [2019.06.11. 파이낸스투데이] 왜소은하 속 '작은 블랙홀' 최초 발견…'블랙홀 기원 단서'되나     기사 보기

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o  블랙홀의 기원에 중요한 단서가 되는 중간질량 블랙홀을 최초로 확인한 연구결과가 나왔다. 서울대학교 우종학 교수 연구팀은 1천4백만 광년 떨어진 왜소은하 NGC 4395 중심의 블랙홀 질량을 연구한 결과가 Nature Astronomy에 6월 10일자(영국 시간 기준, 한국시간 기준으로는 6월 11일 오전 01시)로 온라인 출판될 예정이라고 말했다. 은하 중심에 존재하는 블랙홀들은 태양보다 백만 배 이상 무거워 거대질량 블랙홀로 불리지만, 이번 연구는 그보다 백배 이상 가벼운 중간질량 블랙홀을 왜소은하 중심에서 찾아낸 결과다. 블랙홀의 기원은 블랙홀 연구의 주요한 과제로 남아 있으며, 중간질량 블랙홀의 존재를 확인한 이번 연구결과는 우주초기에 형성된 블랙홀 씨앗을 이해하기 위한 중요한 단서가 된다.

 

 o  중간질량 블랙홀의 존재에 관해서 오랫동안 논란이 있었다. 블랙홀의 기원은 태양의 수십 배 가량되는 별블랙홀(stellar black hole)에서 시작되었다고 보는 ‘가벼운 씨앗(light seed)’ 시나리오와 거대한 가스구름에서 시작되었다는 ‘무거운 씨앗(haevy seed)’ 시나리오가 경쟁하고 있다. 이번 연구로 확인된 왜소은하 중심의 중간질량 블랙홀은 만일 무거운 씨앗에서 기원했다면 거의 성장하지 않고 초기우주의 원시 블랙홀의 흔적을 갖고 있을 것으로 기대된다. 

 

o 은하와 블랙홀은 서로 상호작용하며 공동진화하는 것으로 추정되고 있으나 천문학자들은 블랙홀이 은하의 진화과정에 구체적으로 어떤 영향을 주었는지 밝히기 위한 증거들은 여전히 찾는 중이다. 이번 연구는 중간질량 블랙홀의 경우도 은하와 상관관계를 보이며 은하진화에 블랙홀의 역할이 그다지 필요하지 않다는 반증을 제시하고 있다.

 

o  블랙홀은 질량이 작을수록 발견하기 어렵다. 블랙홀의 중력이 미치는 공간이 작아서 지구에서 관측하기가 더 어렵기 때문이다. 이번 연구는 빛의 메아리 효과를 이용한 획기적인 방법으로 블랙홀 질량을 측정하였다. 블랙홀에서 광속으로 80분 거리에 있는 가스에서 방출되는 빛이 지구에 80분 늦게 도착하는 메아리 효과를 측정하여 블랙홀 질량을 도출하였다. 한국천문연구원이 참여하는 제미니 천문대와 레몬산 천문대, 미시간 대학의 천문대를 비롯한 전세계 20 여개 천문대를 함께 사용하여 2017년과 2018년 봄에 모니터링 캠페인을 벌였으며, 관측에 성공한 망원경의 자료들을 통해 빛의 메아리 효과를 측정하였다.

 

< 연구결과 >

 

 

10,000 solar mass black hole in a bulgeless dwarf galaxy

  Jong-Hak Woo1, Hojin Cho1, Elena Gallo2, Edmund Hodges-Kluck2;3;4, 
  Hyun Anh Le1;5, Jaejin Shin1, Donghoon Son1, & John C. Horst6

 (https://www.nature.com/articles/s41550-019-0790-3)

 

최근 블랙홀 그림자가 측정된  M87 은하 중심의 블랙홀처럼 은하들의 중심에는 거대질량 블랙홀(태양질량의 백만 배에서 수십 억 배 사이)이 존재한다고 알려져 있다. 측정된 블랙홀과 은하의 질량은 약 1:1000으로 비례하기 때문에 블랙홀과 은하는 서로 상호작용하며 공동진화한다고 추정된다. 반면 블랙홀 질량이 매우 작으면 중력이 미치는 공간도 작아서, 블랙홀의 중력에 의해 빠르게 회전하는 가스나 별의 운동을 측정하기 어렵다. 이런 한계 때문에 태양질량 백만 배 보다 작은 중간질량 블랙홀의 존재는 확증되지 않았으며 많은 논란을 불러왔다.

 

블랙홀 그림자를 둘러싸는 강착원반에서 나오는 빛은 주변에서 빠르게 회전하는 가스를 이온화시켜 수소선과 같은 방출선을 나오게 한다. 강착원반에서 나오는 빛에 비해 방출선 영역에서 나오는 빛은 두 영역 사이의 거리만큼 지구에 늦게 도착한다. 강착원반의 밝기의 변화는 방출선의 밝기의 변화를 만들고 마치 메아리처럼 지구에 늦게 도착한다. 빛의 메아리 효과 측정은 강착원반과 방출선 영역을 지속적으로 모니터링하여 광도변화의 시간차를 재는 방법이다.

이번 연구는 질량이 작은 왜소은하 NGC 4395 의 중심에 중간질량 블랙홀의 후보로 여겨진 블랙홀을 관측하여 메아리 효과를 80분으로 측정하였으며 가스의 속도 (초속 426킬로미터)와 더불어 블랙홀 질량을 태양질량의 만 배로 측정하였다.


 

( 그림 설명 )

 

(그림1) 왜소은하 NGC 4395과 은하 중심의 블랙홀.

강착원반에서 나오는 빛(연속선)과 방출선 영역에서 각각 나오는 빛(방출선) 의 밝기를 시간에 따라 측정한 그래프 (오른쪽 위). 두 그래프가 보이는 밝기 변화의 시간차 (~80분)는 강착원반에서 방출선 영역까지 빛이 이동하는데 걸리는 시간을 나타낸다. 이 시간차가 방출선 영역의 크기를 알려준다. (빛의 속도로 80분 간 거리)  

 

 

 

(그림 2) 빛의 메아리 효과

방출선 영역에서 나오는 빛(방출선)의 밝기 변화는 강착원반에서 나오는 빛(연속선)의 밝기 변화를 따라 변하며, 메아리처럼 시간차를 두고 늦게 관측된다. (강착원반에서 방출선 영역까지 빛이 이동하는데 걸리는 시간이 Δt 라고 하면, 방출선은 연속선에 비해  Δt 만큼 늦게 지구에 도착한다.) 즉 메아리 효과인 Δt를 측정하면 강착원반에서 방출선 영역까지 거리를 구할 수 있다.

 

 

 

( 용어 설명 )

 

1. 거대질량 블랙홀: 은하 중심에 위치하고 있으며 태양질량의 백만 배에서 수십 억 배 사이의 해당하는 거대한 질량을 갖고 있다.


2. 중간질량 블랙홀: 태양보다 1,000 ~ 100,000배 무거운 질량을 갖는 블랙홀. 별 블랙홀(태양질량의 수십 배)과 거대질량 블랙홀 사이에 해당되는 질량을 갖는 중간질량 블랙홀이 존재하는가에 대한 논란이 계속되어 왔다. 이번 연구는 은하 중심에 중간질량 블랙홀이 존재한다는 사실을 확인한 결과이다.

 

3. 강착원반: 가스가 블랙홀로 유입되기 전에 빠르게 회전하며 블랙홀 주변에 만드는 원반 형태의 구조


 

4. 연속선: 강착원반에서 방출되는 빛 (자외선 및 가시광선)

 

5. 방출선 영역: 블랙홀의 중력 때문에 빠르게 회전하는 가스 구름. 강착원반의 빛을 받아 이온화된 가스는 특정한 파장의 방출선을 낸다.

 

6. 방출선: 방출선 영역에서 나오는 특정한 파장 대의 빛. 가령, 이번에 관측한 수소선 (Hα)은 656나노미터의 파장에서 방출된다.

 

7. 블랙홀 질량: 블랙홀(블랙홀의 강착원반)에서 방출선 영역까지 거리를 측정하고 방출선 영역의 수소 가스의 속도를 측정하여 블랙홀 질량을 결정한다. 가령, 태양의 경우, 태양에서 지구까지의 거리와 지구의 회전속도를 측정하면 태양의 질량을 측정할 수 있는 원리와 같다.

 

8. 시간차: 강착원반에서 나오는 빛(연속선)이 방출선 영역에 도달하여 방출선을 만들기 때문에, 지구에서 관측하면 연속선에 비해 방출선의 빛이 늦게 도착한다.

 

9. 메아리 효과: 마치 메아리가 시간차를 가지고 늦게 들리듯, 연속선이 강해지고 약해지는 변화에 비해 방출선이 강해지고 약해지는 변화가 시간차를 두고 늦게 관측된다.

 

10. 왜소은하: 질량이 작은 은하들이며 그 중에 일부는 중심에 중간질량 블랙홀이 존재할 것으로 추정된다. 

 

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