초대형 블랙홀의 거리 측정

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-17

지구에서 먼 거리 은하 중심에 있는 블랙홀까지의 거리가 덴마크, 영국 그리고 일본의 천문학자들에 의해서 이전에는 가능하지 않았던 정밀도로 결정되었다. 이와 같은 연구 결과는 블랙홀의 질량을 더 잘 추정할 수 있게 해 줄 뿐만 아니라, 새로운 우주 거리 스케일을 설정할 수 있게 해 줄 것이다. 이것은 또한 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지를 정확하고 독립적으로 측정할 수 있게 해준다. 은하계의 중심에는 태양보다 보통 10^5에서 10^9 배 더 무게가 극도로 무거운 블랙홀이 있다. 물질이 블랙홀 쪽으로 가속되면서, 많은 방사성 물질이 방출된다. 이것은 활성 은하계 핵(active galactic nucleus, AGN)이라고 불리는 극도로 밝은 물체를 발생시킨다. 그와 같은 극도로 무거운 블랙홀들은 천문학자들에게 매우 흥미로운 주제이다. 그 이유는 블랙홀의 형성이 주위 은하계의 진화와 연관있기 때문이다. AGN 의 깊은 곳은 추가적인 물질이 블랙홀로 가속되면서 자외선 빛을 발생시키는 비교적 소형의 증대 디스크 물질로 이루어졌다. 이런 자외선 빛의 일부는 지구 쪽으로 직접 진행하여 신호로서 검출될 수 있다. 이런 증대 디스크 밖은 가스 상태의 광역선 영역(broad line region, BLR)이며 먼지 원환체 형태를 이루고 있다. 그리고 자외선 빛의 일부는 원환체 쪽으로 이동한다. 여기서 잔향(reverberation)이라고 불리는 프로세스의 적외선 빛 방출이 여기된다. 이런 적외선 빛의 일부는 지구로 진행하며 검출될 수 있다. 따라서 가시광선의 깜빡거림과 적외선의 동일한 깜빡거림 사이의 지연 시간을 측정함으로써, 천문학자들은 빛이 BLR을 가로질러 진행하는데 걸리는 시간을 계산할 수 있다. BLR의 반경은 이 시간에 빛의 속도를 곱하여 계산될 수 있다. 두 개의 AGN이 동일한 BLR 반경을 가지만 다른 세기를 가진다면, 블랙홀에 의해서 방출된 빛의 세기가 반경의 제곱근으로 증가하기 때문에, 더 밝은 물체는 지구에 더 가깝다. 이런 개념은 코펜하겐 대학과 퀸즐랜드(Queensland) 대학의 공동 연구진이 2011년 우주론적 거리를 측정하는데 있어서 새로운 방식을 제안하게 만들었다. 이들 두 공동 연구진은 디스크 반경과 약 30 AGN의 밝기를 측정하였지만, 문제는 이런 기술이 지구에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 결정하는 것이 아니고 어떤 물체가 더 지구에서 가까운지만을 결정한다는 것이다. 상대적이 아닌 절대적인 거리를 측정하기 위해서는 다른 기술을 사용한 추가적인 관측이 필요하다. 이제 이들 연구진은 삼각함수를 공부한 사람에게는 누구에게나 친숙한 간단한 관계를 이용하여 절대 거리를 측정할 수 있게 하였다. 이들 연구진은 하와이에 위치한 Keck 관측소의 두 망원경을 이용하여 NGC 4151 중심에 있는 AGN을 관측하였다. 서로 85미터 떨어진 거리에 위치한 두 망원경에서 나오는 빛은 간섭계로 들어갔으며, 이를 통하여 연구진은 AGN의 중심으로부터 도착하는 빛과 BLR의 바깥 반경으로부터 도착하는 빛 사이의 미세한 각도를 측정하였다. BLR의 반경은 이미 반향 측정으로부터 알려져 있기 때문에, AGN까지의 거리는 단순히 반경을 각도로 나눔으로써 계산될 수 있다. 이들 연구진은 약 ±2.5 메가파세크의 불확실도로 AGM까지의 거리를 측정할 수 있었다. 이것은 다른 기술을 사용해서 측정한 것보다 훨씬 더 정확한 것이다. 원칙적으로, 일단 하나의 AGN의 절대 거리가 이런 방식으로 결정되면, 다른 AGN까지의 절대 거리는 그것들의 밝기와 BLR 반경을 사용하여 간단히 계산될 수 있다. 이들 연구진은 이런 새로운 결과에 고무되었다고 말하였다. 훨씬 멀리 떨어진 거리는 현재 복잡한 우주 거리 사다리(cosmic distance ladder)를 이용하여 결정된다. 이것은 특정한 거리 영역상에만 적용되는 몇 개의 다른 방법을 이용하는 방식이다. 이 새로운 기술은 이에 비해서 광범위한 우주 거리에 걸쳐 사용될 수 있다. 연구진이 설명한대로, 이것은 우주 거리 사다리와 연관된 많은 복잡함을 피할 수 있게 해주어, 천문학자들에게 완전히 새로운 방식을 제공하여 줄 수 있다. 즉, 활성적인 은하계만을 이용하여 우주 거리 측정이 가능한 것이다. 이것은 우주 팽창 속도와 우주의 나이 추정을 새롭고 독립적으로 측정할 수 있게 해 줄 것이다. AGN까지의 거리를 아는 것은 또한 천문학자들이 이런 구조의 이해와 연관된 은하계가 어떻게 형성되고 진화하였는지도 알 수 있게 해준다. 이들 연구진의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다. 첨부그림: 이 NGC 4151 이미지는 X-선, 광학 및 라디오 망원경으로부터 얻어진 데이터를 포함한다. PW-2014-12-09-Johnston-quasar.jpg http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/dec/09/new-technique-nails-distance-to-supermassive-black-hole