12월 XNUMX일 전 세계 XNUMX개 동시 기자회견에서 천체물리학자들은 첫 번째 이미지를 공개했습니다 우리은하의 중심에 있는 블랙홀. 처음에는 굉장했지만, 우리 은하의 중심 암흑 구덩이 주위에 공들여 만든 빛의 고리 이미지는 전문가들이 이미 예상했던 것을 단순히 증명하는 것처럼 보였습니다. 일반 상대성 이론.
그러나 자세히 살펴보면 상황이 제대로 쌓이지 않습니다.
빛의 베이글의 밝기에서 연구자들은 추정했습니다. 얼마나 빨리 물질은 궁수자리 A*에 떨어지고 있습니다. 이것은 은하수의 중심 블랙홀에 주어진 이름입니다. 대답은 다음과 같습니다. 전혀 빠르지 않습니다. "조금 흘러내릴 정도로 막혔어요"라고 말했다. 프리야 나타라잔, 예일 대학의 우주 학자는 은하계를 깨진 샤워 헤드에 비유했습니다. 어떻게 든 문제의 XNUMX 분의 XNUMX에 불과합니다. 은하수로 흐르는 주변 은하계 매체에서 구멍으로 내려갑니다. 나타라잔은 “그것은 엄청난 문제를 드러내고 있다”고 말했다. “이 가스는 어디로 가는 겁니까? 흐름에 무슨 일이 일어나고 있습니까? 블랙홀 성장에 대한 우리의 이해가 의심스럽다는 것은 매우 분명합니다.”
지난 XNUMX년 동안 천체 물리학자들은 많은 은하와 그 중심에 있는 블랙홀 사이에 긴밀하고 역동적인 관계가 존재한다는 것을 인식하게 되었습니다. "현장에서 정말 큰 변화가 있었습니다."라고 말합니다. 라 메쉬 나라 얀, 하버드 대학의 이론 천체 물리학자. "놀랍게도 블랙홀은 은하가 진화하는 방식의 형성자이자 조절자로서 중요합니다."
중력이 빛조차 빠져나가는 것을 방해할 정도로 밀도가 높은 물질이 밀집해 있는 이 거대한 구멍은 은하의 엔진과 비슷하지만 연구자들은 그들이 어떻게 작동하는지 이제 막 이해하기 시작했습니다. 중력은 먼지와 가스를 은하 중심 내부로 끌어당겨 초대질량 블랙홀 주위에 소용돌이 치는 강착 원반을 형성하고 가열되어 백색 고온 플라즈마로 변합니다. 그런 다음 블랙홀이 이 물질을 삼킬 때(드립 및 드립 또는 갑작스러운 폭발로) 에너지는 피드백 과정에서 은하계로 다시 뿜어져 나옵니다. "블랙홀을 성장시키면 우리가 자연에서 알고 있는 그 어떤 과정보다 더 효율적으로 에너지를 생성하고 이를 주변 환경에 버리는 것입니다."라고 말했습니다. 엘리엇 쿼터에트, 프린스턴 대학의 이론 천체 물리학자. 이 피드백은 은하 전체의 별 형성 속도와 가스 흐름 패턴에 영향을 미칩니다.
그러나 연구자들은 초거대질량 블랙홀의 "활성" 에피소드에 대해 막연한 아이디어만 가지고 있으며, 이는 이를 활성 은하핵(AGN)이라고 합니다. "방아쇠를 당기는 메커니즘은 무엇입니까? 오프 스위치는 무엇입니까? 이것이 우리가 여전히 해결하려고 하는 근본적인 질문입니다.”라고 말했습니다. 커스틴 홀 하버드-스미소니언 천체 물리학 센터.
별이 초신성으로 폭발할 때 발생하는 항성 되먹임은 작은 규모에서 AGN 되먹임과 비슷한 효과를 내는 것으로 알려져 있다. 이 항성 엔진은 작은 "왜성" 은하를 조절하기에 충분히 큰 반면, 초대질량 블랙홀의 거대한 엔진만이 가장 큰 "타원" 은하의 진화를 지배할 수 있습니다.
크기 면에서 보면 전형적인 나선 은하인 우리 은하가 중앙에 자리잡고 있습니다. 중심에서 활동의 명백한 징후가 거의 없기 때문에 우리 은하는 항성 피드백에 의해 지배된다고 오랫동안 생각되었습니다. 그러나 최근 몇 가지 관찰에 따르면 AGN 피드백도 이를 형성합니다. 천체 물리학자들은 우리 은하에서 이러한 피드백 메커니즘 사이의 상호 작용에 대한 세부 사항을 연구하고 현재 궁수자리 A*의 희미함과 같은 퍼즐과 씨름함으로써 은하와 블랙홀이 일반적으로 어떻게 공진화하는지 알아내기를 희망합니다. 나타라잔은 은하수가 "가장 강력한 천체 물리학 실험실이 되고 있다"고 말했습니다. 축소판 역할을 함으로써 “열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다.”
은하 엔진
1990년대 후반까지 천문학자들은 일반적으로 은하 중심에 블랙홀이 있다는 사실을 받아들였습니다. 그때까지 그들은 이 보이지 않는 물체를 충분히 가까이서 볼 수 있어 주위의 별들의 움직임에서 질량을 추론할 수 있었습니다. ㅏ 이상한 상관관계가 나타났다: 은하는 질량이 클수록 중심 블랙홀이 무거워집니다. “이것은 특히 엄격했고 완전히 혁명적이었습니다. 어떻게든 블랙홀이 은하계와 대화하고 있다”고 말했다. 티지아나 디 마테오, 카네기 멜론 대학의 천체 물리학자.
블랙홀이 크기는 하지만 은하계 크기의 극히 일부에 불과하다는 점을 고려할 때 상관관계는 놀랍습니다. (예를 들어, 궁수자리 A*의 무게는 약 4만 태양이고, 우리은하의 태양 질량은 약 1.5조 XNUMX억 개입니다.) 이 때문에 블랙홀의 중력은 은하의 가장 안쪽 영역에서만 힘을 끌어당깁니다.
영국의 왕립 천문학자인 Martin Rees에게 AGN 피드백은 상대적으로 작은 블랙홀을 은하계 전반에 연결하는 자연스러운 방법을 제공했습니다. 1970년 전인 XNUMX년대에 Rees는 초거대질량 블랙홀이 빛나는 제트기에 동력을 공급하다 퀘이사라고 불리는 멀리 떨어져 있고 밝게 빛나는 은하에서 관찰됩니다. 그는 심지어 제안 된, Donald Lynden-Bell과 함께 블랙홀이 우리 은하의 중심이 빛나는 이유를 설명할 것이라고 했습니다. 이것이 모든 곳에 있는 초대질량 블랙홀의 크기를 지배하는 일반적인 현상의 징후일 수 있습니까?
블랙홀이 삼키는 물질이 많을수록 더 밝아지고 에너지와 운동량이 증가하면 가스가 바깥으로 날아간다는 아이디어였습니다. 결국 외부 압력은 가스가 블랙홀로 떨어지는 것을 막습니다. "그것은 성장을 중단시킬 것입니다. 손으로 휘두르는 방식으로, 그것이 추론이었습니다.”라고 Rees가 말했습니다. 또는 Di Matteo의 말에 따르면 "블랙홀은 먹고 삼킨다." 매우 큰 은하는 중앙 블랙홀에 더 많은 무게를 가해 가스를 외부로 내뿜기가 더 어려워지기 때문에 블랙홀이 삼키기 전에 더 커집니다.
그러나 들어오는 물질의 에너지가 그렇게 극적인 방식으로 분출될 수 있다고 확신한 천체 물리학자는 거의 없었습니다. Rees의 대학원생으로서 최초의 AGN 피드백 모델을 개발하는 데 도움을 준 나타라잔은 “제가 논문을 작성할 때 우리는 모두 블랙홀을 되돌릴 수 없는 지점으로 생각했습니다. 단지 가스가 들어가는 것뿐이었습니다.”라고 말했습니다. “너무 급진적이어서 모두가 매우 조심스럽고 신중하게 해야 했습니다.”
피드백 아이디어의 확인은 몇 년 후 Di Matteo와 천체 물리학자가 개발한 컴퓨터 시뮬레이션에서 나왔습니다. 볼커 스프링겔 와 라스 에른키스트. "우리는 실제 우주에서 보는 놀라운 은하수 동물원을 재현하고 싶었습니다."라고 Di Matteo가 말했습니다. 그들은 기본적인 그림을 알고 있었습니다. 은하계는 초기 우주에서 작고 조밀하게 시작됩니다. 시계를 앞으로 돌리면 중력이 이 난쟁이들을 뭉쳐 환상적인 융합의 불꽃을 만들어내고 고리, 소용돌이, 시가 및 그 사이의 모든 모양을 형성합니다. 은하들은 충분한 충돌 후에 크고 부드러워질 때까지 크기와 다양성이 증가합니다. Di Matteo는 "결국 결과는 얼룩이 됩니다."라고 말했습니다. 시뮬레이션에서 그녀와 그녀의 동료들은 나선 은하를 여러 번 병합하여 타원 은하라고 하는 이러한 큰 특징 없는 얼룩을 재현할 수 있었습니다. 하지만 문제가 있었습니다.
우리 은하와 같은 나선 은하는 파란색으로 빛나는 어린 별을 많이 가지고 있는 반면, 거대 타원 은하는 붉게 빛나는 아주 오래된 별만을 포함합니다. 독일 가르칭에 있는 막스 플랑크 천체 물리학 연구소의 스프링겔은 "그들은 붉고 죽어있다"고 말했다. 그러나 팀이 시뮬레이션을 실행할 때마다 파란색으로 빛나는 타원형을 내뿜었습니다. 별 형성을 멈추게 하는 것은 무엇이든지 그들의 컴퓨터 모델에 포착되지 않았습니다.
그런 다음 Springel은 "우리는 은하 중심의 초대질량 블랙홀로 우리 은하의 합병을 증대시키는 아이디어를 가졌습니다. 우리는 이 블랙홀이 가스를 삼키고 압력솥 냄비처럼 전체가 날아갈 때까지 에너지를 방출하도록 합니다. 갑자기 타원 은하는 별 형성을 멈추고 붉게 변해 죽을 것입니다.”
그는 "턱이 떨어졌다"고 덧붙였다. "우리는 [효과]가 그렇게 극단적일 것이라고 예상하지 못했습니다."
적자 타원체를 재현하여, 시뮬레이션은 Rees와 Natarajan의 블랙홀 피드백 이론을 강화했습니다. 블랙홀은 상대적으로 작은 크기에도 불구하고 피드백을 통해 은하 전체와 대화할 수 있습니다. 지난 XNUMX년 동안 컴퓨터 모델은 우주의 넓은 영역을 시뮬레이션하기 위해 개선되고 확장되었으며 우리 주변에서 볼 수 있는 다양한 은하계 동물원과 대체로 일치합니다. 이 시뮬레이션은 또한 블랙홀에서 방출된 에너지가 은하 사이의 공간을 뜨거운 가스로 채우고 있음을 보여줍니다. 그렇지 않으면 이미 냉각되어 별이 되었을 것입니다. "사람들은 이제 초질량 블랙홀이 매우 그럴듯한 엔진이라고 확신합니다."라고 Springel은 말했습니다. "블랙홀이 없는 성공적인 모델은 아무도 찾지 못했습니다."
피드백의 신비
그러나 컴퓨터 시뮬레이션은 여전히 놀랍도록 무뚝뚝합니다.
물질이 블랙홀 주변의 강착 디스크 안쪽으로 기어 들어갈 때 마찰로 인해 에너지가 뒤로 밀려납니다. 이러한 방식으로 손실되는 에너지의 양은 코더가 시행착오를 통해 시뮬레이션에 직접 투입한 것입니다. 세부 사항이 아직 파악하기 어렵다는 신호입니다. Quataert는 "경우에 따라 잘못된 이유로 올바른 답을 얻을 가능성이 있습니다."라고 말했습니다. "아마도 우리는 블랙홀이 어떻게 성장하고 주변 환경에 에너지를 버리는지에 대해 실제로 가장 중요한 것이 무엇인지 포착하지 못할 수도 있습니다."
사실 천체 물리학자들은 AGN 피드백이 어떻게 작동하는지 잘 모릅니다. “우리는 그것이 얼마나 중요한지 압니다. 그러나 이러한 피드백을 일으키는 원인은 정확히 우리를 탈출하고 있습니다.”라고 Di Matteo가 말했습니다. "핵심, 핵심 문제는 피드백을 물리적으로 깊이 이해하지 못한다는 것입니다."
그들은 일부 에너지가 복사로 방출되어 활동 은하의 중심에 특징적인 밝은 빛을 준다는 것을 알고 있습니다. 강한 자기장은 물질이 강착 원반에서 확산 은하풍으로 또는 강력하고 좁은 제트로 날아가게 합니다. 블랙홀이 제트를 발사하는 것으로 생각되는 메커니즘 블랜드포드-자젝 프로세스, 1970년대에 확인되었지만 빔의 힘을 결정하는 것과 은하에 흡수되는 에너지의 양은 "아직도 풀리지 않은 미해결 문제"라고 Narayan은 말했습니다. 강착 원반에서 구형으로 발산하여 좁은 제트기보다 은하와 더 직접적으로 상호 작용하는 경향이 있는 은하풍은 훨씬 더 신비합니다. “XNUMX억 달러짜리 질문은 에너지가 가스에 어떻게 결합되는가?” 스프링겔이 말했다.
여전히 문제가 있다는 신호 중 하나는 최첨단 우주 시뮬레이션의 블랙홀이 결국 작은 일부 시스템에서 관찰된 실제 초대질량 블랙홀의 크기보다 별 형성을 차단하고 적멸하는 은하를 생성하려면 시뮬레이션에서 블랙홀이 너무 많은 에너지를 방출하여 물질의 내부 흐름을 질식시켜 블랙홀의 성장을 멈추게 해야 합니다. “시뮬레이션의 피드백이 너무 공격적입니다. 성장을 조기에 저해합니다.”라고 나타라잔은 말했습니다.
은하수는 반대 문제의 예입니다. 시뮬레이션은 일반적으로 해당 크기의 은하가 궁수자리 A*보다 10~XNUMX배 더 큰 블랙홀을 가져야 한다고 예측합니다.
우리은하와 근처 은하를 자세히 살펴봄으로써 연구자들은 AGN 피드백이 어떻게 작동하는지 정확하게 풀기 시작할 수 있기를 희망합니다.
은하수 생태계
2020년 XNUMX월 eROSITA X선 망원경을 사용하는 연구원들은 한 쌍의 거품을 발견 은하수 위아래로 수만 광년 뻗어 있습니다. 거대한 X선 거품은 10년 전에 페르미 감마선 우주 망원경이 은하에서 방출되는 것을 감지한, 똑같이 당혹스러운 감마선 거품과 비슷했습니다.
페르미 거품의 두 가지 기원 이론은 여전히 뜨겁게 논의되고 있었습니다. 일부 천체 물리학자들은 이것이 수백만 년 전에 궁수자리 A*에서 발사된 제트기의 유물이라고 제안했습니다. 다른 이들은 거품이 은하 중심 근처에서 폭발하는 많은 별들의 축적된 에너지라고 생각했습니다. 일종의 항성 피드백이었습니다.
인셀덤 공식 판매점인 샹이 카렌 양 대만의 국립청화대학교(National Tsing Hua University)의 한 교수는 eROSITA X선 거품의 이미지를 보고 "위아래로 뛰어오르기 시작했습니다." Yang은 X선이 동일한 AGN 제트에 의해 생성된 경우 감마선과 공통된 기원을 가질 수 있다는 것이 분명했습니다. (X선은 제트기 자체가 아니라 은하수의 충격 가스에서 나옵니다.) 공동 저자와 함께 엘렌 즈와이벨 와 마테우스 루시코프스키, 그녀는 컴퓨터 모델을 구축하기 시작했습니다. 결과, 에 게시 자연 천체 물리학 지난 봄, 관찰된 거품과 밝은 충격 전선의 모양을 복제할 뿐만 아니라 2.6만 년(100,000년 동안 활동했던 제트기에서 바깥쪽으로 확장)에 걸쳐 형성되었음을 예측합니다. 별 피드백으로 설명합니다.
이 발견은 AGN 피드백이 연구자들이 생각했던 것보다 우리 은하와 같은 평범한 원반은하에서 훨씬 더 중요할 수 있음을 시사합니다. 떠오르는 그림은 AGN과 항성 피드백이 은하 주변 매체라고 불리는 은하를 둘러싸고 있는 확산되고 뜨거운 가스와 얽혀 있는 생태계의 그림과 유사하다고 Yang은 말했습니다. 다른 효과와 흐름 패턴은 다른 은하 유형과 다른 시간에 지배적입니다.
은하수의 과거와 현재에 대한 사례 연구는 이러한 과정의 상호 작용을 밝힐 수 있습니다. 예를 들어, 유럽의 가이아(Gaia) 우주 망원경은 수백만 개의 은하수 별들의 정확한 위치와 움직임을 매핑하여 천체 물리학자들이 더 작은 은하들과의 합병 역사를 추적할 수 있도록 했습니다. 이러한 합병 사건은 물질을 흔들어 초대질량 블랙홀을 활성화시켜 갑자기 밝아지고 심지어 제트기를 발사하게 만드는 것으로 가정되었습니다. Quataert는 "합병이 중요한지 여부에 대해 현장에서 큰 논쟁이 있습니다."라고 말했습니다. 가이아 별 데이터 제안 Fermi와 eROSITA 거품이 형성될 당시 은하수는 합병을 겪지 않았고, AGN 제트의 방아쇠로서 합병을 싫어했다.
또는 가스 덩어리가 블랙홀과 충돌하여 활성화할 수 있습니다. 그것은 먹기, 제트기와 은하계의 바람으로 에너지를 내뿜는 것, 그리고 일시 중지 사이에서 혼란스럽게 전환할 수 있습니다.
이벤트 호라이즌 망원경이 최근에 촬영한 궁수자리 A* 이미지는 현재 쏟아지는 물질의 유입을 보여주며 풀어야 할 새로운 퍼즐을 제시합니다. 천체 물리학자들은 은하계로 유입된 모든 가스가 블랙홀 지평선에 도달하지 않는다는 것을 이미 알고 있었습니다. 그러나 그러한 극도로 가늘어지는 흐름을 설명하는 데 필요한 바람의 세기는 비현실적입니다. Narayan은 "시뮬레이션을 할 때 큰 바람이 보이지 않습니다. “무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 완전한 설명이 필요한 것은 그런 종류의 바람이 아닙니다.”
중첩 시뮬레이션
은하가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 있어 도전의 일부는 별과 블랙홀에서 작용하는 길이 척도와 전체 은하와 그 주변의 척도 사이의 엄청난 차이입니다. 컴퓨터에서 물리적 프로세스를 시뮬레이션할 때 연구원은 규모를 선택하고 해당 규모에서 관련 효과를 포함합니다. 그러나 은하에서는 크고 작은 효과가 상호 작용합니다.
"블랙홀은 큰 은하에 비해 정말 작습니다. 하나의 거대한 시뮬레이션에 블랙홀을 모두 넣을 수는 없습니다."라고 Narayan은 말했습니다. "각 정권은 상대방의 정보가 필요하지만 연결 방법을 모릅니다."
이 격차를 좁히기 위해 Narayan, Natarajan 및 동료들은 내포 시뮬레이션을 사용하여 가스가 은하수와 근처의 활성 은하인 Messier 87을 통해 흐르는 방식에 대한 일관된 모델을 구축하는 프로젝트를 시작했습니다. 은하계가 블랙홀에게 무엇을 해야 하는지 알려주면 블랙홀의 정보가 되돌아가 은하계에게 무엇을 해야 하는지 알려줍니다.”라고 Narayan이 말했습니다. “돌고 돌고 돌고 도는 고리입니다.”
시뮬레이션은 은하 내부와 은하 주변의 확산 가스의 흐름 패턴을 명확히 하는 데 도움이 되어야 합니다. (제임스 웹 우주 망원경으로 은하주변 매질에 대한 추가 관측도 도움이 될 것입니다.) "그것은 이 전체 생태계의 중요한 부분입니다."라고 Quataert는 말했습니다. "어떻게 가스를 블랙홀로 끌어내어 되돌아가는 모든 에너지를 몰아낼 수 있습니까?"
결정적으로, 새로운 방식에서는 서로 다른 규모의 시뮬레이션 간의 모든 입력과 출력이 일관되어야 하므로 더 적은 수의 다이얼을 돌릴 수 있습니다. “시뮬레이션이 제대로 설정되면 블랙홀에 도달해야 하는 가스의 양을 자체적으로 일관되게 결정할 것입니다.”라고 Narayan이 말했습니다. "우리는 그것을 조사하고 물어볼 수 있습니다. 왜 모든 가스를 먹지 않았습니까? 왜 그렇게 까다롭고 사용 가능한 가스를 거의 사용하지 않았습니까?” 이 그룹은 진화의 여러 단계에서 은하계의 스냅샷 시리즈를 만들기를 희망합니다.
현재로서는 이 은하계 생태계에 대한 많은 부분이 여전히 직감입니다. Yang은 "사람들이 이러한 중첩 시나리오에 대해 생각하기 시작하는 정말 새로운 시대입니다."라고 말했습니다. "명확한 답은 없지만 몇 년 안에 그렇게 되기를 바랍니다."
편집자 주: Priya Natarajan은 현재 Quanta의 과학 자문 위원회에서 일하고 있습니다.
