지구를 향하는 100개의 블랙홀 제트, 새로운 물리학 실험실이 되다

 

새로발견된 100개의 초대질량 블랙홀이 지구로 향하는 방사선과 물질의 폭발적인 제트를 내뿜는게 관측되었는데요. 천문학자들은 극한 물리학 실험실로 이들 블랙홀을 활용하고 있습니다. 이러한 블랙홀들은 "블레이저"(Blazar)라는 별명을 가지게 되었는데, 이는 그들이 우주의 매우 높은 에너지로 입자가 어떻게 행동하는지 이해하기 위한 완벽한 환경을 제공하기 때문입니다. 펜실베이니아 주립 대학교의 고에너지 천문학 그룹 리더인 에이브 팔콘은 "블레이저들은 상대적으로 먼 거리에서 보여지는 특성 때문에 우주의 초거대 블랙홀들에 대한 질문들에 대한 답을 찾을 수 있는 매우 흥미로운 대상입니다"라고 5월 10일의 성명에서 말했습니다.

 

초대질량 블랙홀의 상상 이미지. NASA/JPL-Caltech

 

블레이저는 초거대 블랙홀 주변에 있는 일부 물질이 표면으로 떨어지지 않고 광속에 가까운 속도로 블랙홀의 극점으로 향하는 제트로 인해 발생합니다. 제트 활동은 초거대 블랙홀이 질량을 모으는 방식과 직접적으로 관련되어 있으며, 이 현상을 밝혀내면 블랙홀들이 태양의 수백만 또는 심지어 수십억 배에 해당하는 질량으로 성장하는 과정을 보여줄 수 있습니다.

펜실베이니아 주립 대학교의 천문학 및 천문학 대학원생인 스티븐 커비는 "블레이저의 제트는 우리에게 직접 향하고 있기 때문에 다른 블랙홀 시스템보다 훨씬 더 멀리서 볼 수 있습니다. 이는 손전등이 직접 보는 경우 가장 밝게 보이는 것과 유사한 원리입니다"라고 말했습니다. "블레이저는 우주의 초거대 블랙홀들에 대한 질문에 대답할 수 있는 흥미로운 대상입니다."

연구 팀은 새롭게 발견된 100개의 블레이저)에 대해 연구를 수행하고 있습니다. 이는 상대적으로 어두운 블레이저라는데요. 일반적으로 블레이저는 은하수의 모든 별들의 결합된 빛보다 더 밝게 빛나는 경우가 많습니다. 그러나 이번 연구에서는 어두운 블레이저를 통해 '블레이저 시퀀스'(blazar sequence)라고 불리는 논란이 있는 이론을 검증하는 기회를 가졌습니다.

 

빛의 속도로 제트를 방출하는 블레이저의 상상도. NASA/JPL-Caltech

 

블레이저는 방사선파에서 감마선과 같은 매우 높은 에너지의 전자기 스펙트럼을 통해 빛을 발산합니다. 하지만 이들 블레이저의 빛 스펙트럼은 특정한 두 가지 파장에서 최고점을 찍습니다. 즉, 감마선 파장에서와 더 낮은 에너지 파장의 범위에서 최고점을 찍습니다. (정확한 파장은 블레이저마다 다를 수 있으며 시간에 따라 변할 수도 있습니다.)

블레이저 시퀀스 이론은 밝은 블레이저의 경우 최고점이 전자기 스펙트럼의 빨간색 (또는 더 낮은 에너지)에 더 가깝게 위치할 것이라고 예측합니다. 그러나 이론을 확인하기 위한 관측은 어려움을 겪고 있었습니다. 연구 팀은 이번 연구에서 "낮은 에너지 최고점을 가진 저명 블레이저는 실제로 검출하기가 매우 어려우며, 그들의 최고점이 더 높은 에너지에 위치하거나 밝을 때는 더 쉽게 발견할 수 있다"고 밝혔습니다.

이번 연구는 이전보다 "저 에너지와 고 에너지 최고점 블레이저의 낮은 밝기 범위에 대해 더 깊이 파고들어 블레이저 시퀀스를 탐구하기"를 목표로 하였습니다. 연구팀은 페르미 망원경으로 감마선 소스를 검출하는 동안, 연구팀은 아직 같은 출처에서 낮은 에너지 최고점과 관련된 복사를 찾지 못한 고 에너지 방출을 가진 블레이저의 카탈로그를 살펴보았습니다. 감마선으로 관측된 각 블레이저에 대해, 연구자들은 닐 게렐스 스위프트 망원경으로 검출된 X선, 자외선 또는 가시광선에서 해당 블레이저의 상응하는 복사를 찾았습니다. 스위프트 망원경에서 얻은 데이터는 연구팀이 새로운 어두운 블레이저의 빛을 특징화하는 데 도움이 되었습니다. 이를 통해 106개의 새로운 어두운 블레이저의 빛을 특징화할 수 있었습니다.

 

이 이미지는 2012년 연구에서 사용된 150개의 블레이저(녹색 점)의 위치를 ​​보여줍니다. 2023년에 발표된 새로운 연구에서 100개 이상이 더 발견되었습니다. NASA/DOE/Fermi LAT

 

스티븐 커비는 "스위프트 망원경 관측은 우리에게 페르미 데이터만으로는 얻기 어려운 블레이저의 위치를 정확히 파악할 수 있게 해주었습니다"라고 설명했습니다. "이러한 복사 데이터를 통합하고 두 가지 새로운 기술적 접근법과 결합하여 각 블레이저의 낮은 에너지 최고점이 전자기 스펙트럼의 어디에 위치하는지를 확인하는 데 도움이 되었습니다."

이번 연구에서는 기계 학습(인공지능의 한 형태)과 물리 모델링이 검증되었는데, 이를 통해 어두운 블레이저의 샘플이 일반적으로 높은 에너지인 파란색에서 최고점을 찍는 것을 확인할 수 있었습니다.

연구팀은 앞으로도 직접적으로 관측하기에는 아직 너무 어두운 블레이저에 대한 예측을 위해 이 데이터셋을 활용하려고 합니다. 스티븐 커비는 "아직 X선과 관련하여 어떤 상응하는 것도 찾지 못한 페르미 관측소에 약 1000개의 연관되지 않은 소스가 있는데, 이들 중 많은 소스는 우리가 감지하기에는 너무 어두운 블레이저일 것으로 생각됩니다"라고 말했습니다. 이후의 연구에서는 아직 직접적으로 관측하기 어려운 블레이저에 대한 더 많은 예측을 할 수 있을 것입니다. 또한, 이 연구는 블레이저의 제트의 자기장 강도와 그 내부의 전하 입자의 움직임 속도를 보여줄 수도 있다고 커비는 말했습니다.

"이론이 예상치 못한 편향으로 실패하는 것을 방지하기 위해 데이터셋을 계속 확장하는 것은 중요합니다. 미래에 더 어두운 블레이저를 조사할 수 있는 새로운 망원경에 대해 기대합니다"라고 이 연구의 저자인 대학원생인 커비는 말했습니다.

이 연구는 Astrophysical Journal과 arXiv에 게재되었습니다.

이번 연구는 우주 물리학의 한 측면인 블레이저를 통해 고에너지 물리학을 연구하는 것을 표방하고 있습니다. 이를 통해 우리는 상대적으로 어두운 블레이저를 통해 블레이저 시퀀스 이론을 검증하고 우주의 초거대 블랙홀과 그들의 제트의 진화와 형성을 연구하는 기회를 얻을 수 있습니다. 이는 우리가 우주의 기원과 진화에 대해 더 많은 통찰력을 얻는 데 도움이 될 것입니다.