은하 중심의 블랙홀 발전...'발전기 모델'을 통한 블랙홀의 활동을 규명

최근의 관측을 통해 우리가 사는 은하계를 포함하여 대부분의 은하가 그 중심에 블랙홀이 존재하는 것으로 알려졌습니다. 주위의 가스는 그 주위를 회전하면서 천천히 낙하하며 강착원반을 형성합니다. 그러나 물질의 전부가 블랙홀에 삼켜지는 것은 아니고, 일부는 제트라는 초고속 흐름에 의해 먼 곳으로 방출됩니다. 이번 연구에서는, 은하가 가지는 자기장의 역할을 중시하고, 자기장의 강착원반을 거대한 직류발전기로 취급합니다. 그러자 제트는 그것에 의해 구동되는 리니어 모터인 것을 알 수 있습니다. 이 아이디어는 다양한 은하 중심 활동 현상을 고려할 때 자연스럽고 발전성 있는 모델을 제공하는 것 같습니다.

I. 연구의 배경 · 목적

우리의 태양계는 우리은하에 속해 있습니다. 우리은하는 근처의 안드로메다 은하와 마찬가지로 나선형 팔을 가진 나선은하입니다. 우주에는 이 외에도 팔과 같은 구조를 가지지 않는 타원은하도 존재합니다. 최근의 연구에 의해, 이러한 전형적인 은하의 중심에는 태양의 수백만 배에서 수십억 배의 질량을 가진 초거대 블랙홀이 존재하는 것으로 알려졌습니다.

이전부터 은하 중 극소수는 그 중심이 비정상적으로 활발하고 전자기 방사의 넓은 주파수 영역에 걸쳐 대량의 에너지를 방출하고 있는 것으로 알려져 있으며, 그것들을 '활동은하 중심핵(AGN)'라고 부르고 있습니다. 그 중에서도 전파은하라는 종류는, 제트라는 가늘게 좁혀진 ​​고속 플라즈마류의 대칭이 종종 은하 자신의 규모를 넘는 규모로 관측됩니다. AGN의 에너지원은 블랙홀일 것으로 예상되고 있지만, 특별히 눈에 띄는 활동을 보여주지 않는 보통의 은하도 모두 블랙홀을 가지고 있는 것은 의외의 발견이었습니다. 또한 근처에 있는 보통 은하의 중심에서 약한 전자기 방사선을 조사해 보면, 넓은 주파수 영역에 펼쳐져 있고 거의 AGN과 비슷한 스펙트럼 구조를 가지고 있으며 약하지만, 제트 모양의 구조가 보이는 경우도 있다는 것을 알았습니다. 즉, AGN와 보통 은하의 차이는 그 중심의 구조가 질적으로 전혀 다르기 때문이라기보다는, 블랙홀에 공급되는 가스의 양의 다소와 같은 양적인 차이가 원인이라는 것입니다.

그리고 멀리서 블랙홀을 향해 낙하해가는 물질(가스)은 발전소의 댐에 저장된 물처럼, 낙차에 따라 중력에너지를 개방하고, 이를 전력과 같은 다른 유형의 에너지로 변환하는 능력을 가지고 있습니다. 은하 중심부의 가스는 일반적으로 중력 중심을 제대로 노리고 들어오는 것은 아니므로, 중력의 우물 안에서 회전 운동을 하게 됩니다. 이 때 마찰력이 작동하면, 운동에너지의 일부를 열로 변환하면서 서서히 중심부에 떨어집니다. 따라서 고온 가스는 회전면에서 원반 모양으로 퍼진 구조가 되며, 이를 강착원반이라고 합니다. 비유하자면 우주의 거대한 플라이휠입니다. 본 연구에서는 특히 이 이온화 가스의 플라이휠이 실제로 우주의 자기장 속에서 회전하는 것을 중시하고, 거기에다 그것을 직류발전기로 간주합니다. 이 발전기 모델에 따라, 우선 보통 은하의 중심핵과 스펙트럼에, 그것과 매우 유사한 구조를 나타내는 전파은하 중심핵의 성질을 통일적으로 이해하자는 것이 이 연구의 목적입니다.

ESO/L. Calçada

II. 주요 성과

강착원반이라는 양도체가 자기장 속에서 회전하기 때문에 생기는 기전력은, 원반상에 직류전류를 구동하고, 그 전류의 쥴발열에 의해 원반은 가열됩니다. 전류는 강착원반의 외부에서부터 고치형 구조의 초(sheath)를 거쳐 극축(중심축) 부근에 도달하고, 귀환전류로 원반내연부에 돌아옵니다. 극축을 중심으로 모인 전류에 작용하는 자기력이, 이 부분에 있는 이온화 가스를 바깥쪽으로 가속함과 동시에, 가늘게 응축하며 작용합니다. 이것이 제트의 생성과정입니다. 즉, 제트는 강착원반 발전기에 의해 구동되는 리니어 모터에 해당하는 것입니다. 이렇게 하여 발전기 모델은, 강착원반 내연부에서 발생하는 제트를, 대국적인 전류의 순환 형태로 자연스럽게 설명할 수 있었습니다. 또한 모델에 따라 원반의 전자기 방사 스펙트럼을 계산하고 우리은하나 전파은하의 중심핵에 대한 관측 결과를, 만족할 만한 정밀도로 재현할 수 있었습니다. 보통 은하와 전파은하의 스펙트럼의 유사성은, 이러한 유형의 중심핵이 블랙홀에 물질공급량(질량의 강착 속도)이 각각의 기준 한계치보다 훨씬 작게 공급되는 것으로 잘 설명할 수 있습니다. 이외에도 강착원반 바깥의 크기를 이론적으로 예언하여, 관측값과 높은 일치를 얻었고, 자기장의 존재가 물질의 강착 속도를 억제하는 효과를 정량적으로 나타내었습니다. 이 강착 속도의 억제 현상은 관측으로 알려져 있었지만 그 이유가 분명하지 않았습니다.

III 향후의 전개

지금까지의 연구에서 질량의 강착 속도가 기준 한계치에 비해 매우 작은 경우에 관해서는, 자기장내의 강착원반의 구조와 성질에 대해 꽤 잘 이해할 수 있었습니다. 전파은하 관측이 시사하는 바에 따르면, 사실 이 케이스는 웅대한 제트가 발달하기 쉬운 환경에 있는 것 같습니다. 따라서 다음 과제는 제트의 형성과 구조에 대한 정량적인 논의를 진행하여, 특히 강착원반 내연부에서의 상승 과정을 규명하고 그와 함께 강착율을 포함하여 그 밖에도 어떤 물리적 요소가 제트 강약을 좌우하는지에 대해 해명해 갈 예정입니다. 이미 제트의 근원에서 충분히 떨어진 영역의 구조에 대해서는 해결한 부분도 있지만, 중요한 것은 역시 근원 부분입니다. 또한 중심부에는 분사되지 않고 그대로 블랙홀까지 낙하한 플라즈마류도 있습니다. 이 부분의 흐름의 구조와 거기에서의 전자방사에 대해서도 해명해야 합니다. 이 영역은 블랙홀의 극히 근방에 있기 때문에 지금까지는 무시할 수 있었던 일반상대론적 효과를 직접 고려할 필요가 있습니다. 따라서 블랙홀의 자전의 영향 등도 논의할 것입니다. 또한 질량의 강착 속도가 훨씬 큰 경우의 강착원반의 구조와 성질 및 다른 여러 종류의 AGN과의 관련 등 많은 과제가 남아있습니다.

IV 학술 논문 등

1. "Analytic Model of MHD Hollow-Cone Jets"
by O. Kaburaki, Prog. Theor. Phys. Suppl. 155, 349-350 (2004).
2. "Viscosity-Driven Winds from Magnetized Accretion Disks"
by D. Maruta & O. Kaburaki, Astrophys. J. 593, 85-95 (2003).
3. "Effects of Winds on Radiation Spectra from Magnetized Accretion Discs "
by N. Yamazaki, O. Kaburaki & M. Kino, Mon. Mot . R. Astron. Soc. 337, 1357-1367 (2002).
4.Effects of Finite Resistivity on Magnetorotational Instabilities in a Realistic Accretion Flow "
by O. Kaburaki, N. Yamazaki & Y. Okuyama, New Astron 7, 283-292 (2002).
5. "Criterion for Generation of Winds from Magnetized Accretion Disks "
by O. Kaburaki, Astrophys. J. 563, 505-511 (2001).
6. "Radiation Spectra from Advection-Dominated Accretion Flows in a Global Magnetic Field"
by M. Kino, O. Kaburaki & N. Yamazaki, Astrophys. J. 536, 788-797 (2000).
7. "Analytic Model for Advection-Dominated Accretion Flows in a Global Magnetic Field "
by O. Kaburaki, Astrophys. J. 532, 210-218 (2000).

연구원
鏑木 修(카부라기 오사무)
Osamu KABURAKI
야마구치 대학 이학부 자연정보과학과 물리학 강좌교수
연락처
e-mail : kaburaki@sci.yamagichi-u.ac.jp

출처 참조 번역
銀河中心のブラックホール発電
https://www.sci.yamaguchi-u.ac.jp/ja/research/science/kaburagi.html

銀河中心のブラックホール発電 — 山口大学理学部