우주에서는 퀘이사에 의한 거대한 에너지의 물결이 일어나고 있다

먼 은하의 중심에서 빛나는 퀘이사의 상상도 Illustration : NASA, ESA, and J. Olmsted (STScI)

우주에 떠 있는 허블우주망원경(HST) 특유의 웅장한 발견입니다. 미국의 버지니아공대와 우주망원경 과학연구소의 연구원들이 HST에 통한 자외선의 관측데이터를 바탕으로 13개의 퀘이사를 분석한 결과, 그중 3개에서 관측사상 가장 강력한 에너지의 방출을 확인했다고 합니다.

'에너지의 방출'이라고 하면 제트 분사처럼 한 방향으로의 분사를 상상하기 쉽지만, 퀘이사의 경우는 공 대칭의 아웃플로우가 초고속으로 밖으로, 밖으로 퍼져 간다고 합니다. 파도처럼 물결치며 성간 물질과 충돌을 반복하면서 은하 전체에 파급되는 그 거대한 에너지는, 별의 재료가 되는 분자 가스와 먼지 입자를 흩어지게 하여, 새로운 별의 생성을 방해하고 심지어는 은하의 성장을 방해하는 것으로 생각된다고 합니다.

퀘이사란?

'퀘이사'는 우주 최고의 밝기를 자랑하는 천체. 그런데 천체망원경으로 보면 가장 밝은 퀘이사도 13등성 정도의 밝기밖에 되지 않는데, 그 이유는 퀘이사가 훨씬 먼 우주에 있기 때문입니다. 퀘이사로부터의 빛이 지구에 도달하는 데에는 수십억 년이라는 지구의 시간이 지나고 있으므로, 현재 관찰되는 퀘이사는 먼 옛날, 아직 우주가 젊은 시절에 존재했던 과거의 모습입니다.

ESO/M. Kornmesser

퀘이사의 중심에는 초거대 질량 블랙홀이 있어, 밝게 빛나는 것으로 생각됩니다. 블랙홀을 향해 물질이 떨어질 때, 그 물질이 가지고 있던 위치에너지가 열에너지로 변환되어 결국 빛이 방출됩니다. 그 밝기는 블랙홀을 품고 있는 은하 전체가 내는 빛의 1,000배에 이른다고 합니다.

은하를 휘몰아치는 폭풍

그만큼 굉장한 퀘이사의 빛은 동시에 엄청난 방사압을 발하고 있습니다. 빛도 압력을 가지고 있어서, 블랙홀의 중력과는 반대 방향으로 방출되는 폭풍같이 격렬한 방출을 일으킵니다.

NASA에 따르면 퀘이사의 폭풍은 광속의 몇 퍼센트에 이르는 초고속으로 은하계 전체에 퍼져서, 먼지 및 가스 등의 성간 물질을 날려버리고, 향후 적어도 1,000만 년간은 계속된다고 합니다. 버지니아공대의 선임연구원으로 이번 연구에 참여한 Nahum Arav 씨에 따르면 '퀘이사에서 파생된 바람은 매년 태양 수백개에 해당하는 질량을 움직일 정도로 파워풀한 것이라고 합니다.

ESA/Hubble & NASA

HST 특유의 발견

퀘이사가 내는 격렬한 아웃플로우는 이전부터 이론적으로 존재가 확인되어 있었지만, 직접 관찰된 것은 이번이 처음입니다.

Nahum 씨 연구팀은 HST의 우주기원분광기(COS)를 사용하여 13개의 퀘이사 아웃플로우를 관측했습니다. 아웃플로우가 은하를 앞질러 나갈 때, 성간 물질에 충돌하여 가스와 먼지가 고온에 가열되어 빛을 냅니다. 이 빛을 COS에서 관측하여 스펙트럼이 도플러 효과에 의해 편이하고 있는 것이 밝혀졌습니다. 또한, 이 편이의 정도에서 가스의 속도를 계산한 결과, 빛의 속도의 몇 퍼센트에 달하는 것으로 나타났다고 NASA가 보도 자료를 통해 발표했습니다. HST가 커버하고 있는 자외선 파장대에서만 관측할 수 있는 귀중한 자료입니다.

관측된 13개의 퀘이사 중 3개에서는 사상 최고속의 아웃플로우가 관측되었다고 합니다. 또한, 아웃플로우 중 하나가 3년 동안 초당 1만 9000㎞에서 2만 500㎞까지 가속한 것도 밝혀졌습니다. 앞으로도 더욱 가속화될 것으로 예측되지만 왜 그런지는 아직은 설명할 수 없는 것 같습니다.

ESO/M. Kornmesser

은하의 수가 적은 이유

왜 퀘이사가 방사하는 아웃플로우가 이만큼 주목을 받고 있을까? 그 배경에는 이론과 실측치의 차이가 있었습니다.

은하 형성을 설명하는 지금까지의 이론대로라면 이 우주에는 더 많은 은하가 있어야 합니다. 그런데 실제로는 은하의 수가 충분하지 않았습니다. 그래서 어떤 메커니즘에 의해 은하 형성이 저해되고 있다고 생각되었는데, 퀘이사의 아웃플로우로 설명이 가능해질 것으로 기대됩니다.

이번 연구에 직접 참여하지 않았던 우주론 연구자인 Jeremiah P. Ostriker 씨도 "관측된 퀘이사의 아웃플로우을 시뮬레이션에 넣으면 은하 형성의 문제가 풀린다"고 동의합니다. 더 자세하게 알고 싶은 분은 'The Astrophysical Journal Supplements'에서 출시되는 Nahum 씨 연구팀의 연구를 체크하세요.

우리은하는 괜찮아?

우리은하의 중심에도 '궁수자리A*'라는 이름의 초거대 질량 블랙홀이 있다는 합니다만, 퀘이사가 빛나는 훨씬 먼 은하에 비하면 우리은하는 100억 년 이상의 세월을 거쳐 활동성이 떨어져 있고. 중심에 있는 블랙홀도 지금은 많은 물질을 삼키지 않기 때문에, 퀘이사 활동도 정지하고 있다고 생각됩니다.

일설에 따르면, 퀘이사와 같이 매우 높은 광도를 설명하기 위해서는, 태양 1개 이상의 질량을 통째로 블랙홀에 매년 공급해야 한다고 합니다.

태양 1개만큼을 삼킨 반동으로 태양 수백 개만큼의 질량을 옮길만한 강력한 폭풍을 일으키는 블랙홀. 그런 퀘이사가 저 멀어 우주에서 빛나고 있는 광경은 압권이라고 밖에 말할 수 없습니다.

출처 참조 번역
宇宙ではクェーサーによる強大なエネルギーの波が起きている
https://www.gizmodo.jp/2020/03/quasar-huge-energy-wave.html#cxrecs_s

宇宙ではクェーサーによる強大なエネルギーの波が起きている