우리 은하 중심부의 흥미로운 파티: 제임스 웹 우주 망원경의 새로운 발견

노스웨스턴 대학교 연구팀이 이끄는 천체물리학자들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 우리 은하 중심부에 숨어있는 초대형 블랙홀, 궁수자리 A*(Sagittarius A*)에 대한 가장 길고 상세한 관측 결과를 얻었습니다. 이 관측 결과는 블랙홀 주변의 활동이 예상보다 훨씬 더 역동적이고 변화무쌍하다는 사실을 보여줍니다.

 

 

 

쉴 새 없이 터져 나오는 블랙홀의 불꽃

궁수자리 A* 주변을 도는 가스와 먼지의 소용돌이치는 원반(강착 원반)은 끊임없이 불꽃을 방출하고 있으며, 휴식 기간 없이 지속적인 활동을 보입니다. 연구팀은 짧은 순간 동안 희미하게 깜박이는 불꽃부터 매일같이 쏟아지는 눈부시게 밝은 폭발까지 다양한 형태의 불꽃을 관측했습니다. 또한, 몇 달 동안 지속되는 훨씬 더 희미한 깜박임도 발견되었습니다. 이러한 활동 수준은 짧은 간격부터 긴 기간에 이르기까지 광범위한 시간 범위에 걸쳐 발생합니다.

 

 

 

블랙홀의 역동적인 활동과 변화무쌍함

연구를 이끈 노스웨스턴 대학교의 파르하드 유세프-자데 교수는 "불꽃은 기본적으로 모든 초대형 블랙홀에서 발생할 것으로 예상되지만, 우리 블랙홀은 독특하다"고 말했습니다. "항상 활동으로 들끓고 안정적인 상태에 도달하는 것처럼 보이지 않는다. 2023년과 2024년 내내 블랙홀을 여러 번 관측했는데, 매번 관측할 때마다 변화가 감지되었다. 매번 다른 것을 보았는데, 이는 정말 놀라운 일이다. 아무것도 똑같이 유지되지 않았다." 라고 연구결과의 놀라움을 표현했습니다.

 

 

블랙홀의 본질과 은하 진화에 대한 통찰

이 새로운 발견은 물리학자들이 블랙홀의 근본적인 본질, 주변 환경과의 상호 작용, 우리 은하의 역학과 진화를 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 궁수자리 A*의 끊임없는 활동은 초대형 블랙홀이 어떻게 작동하고 주변 환경에 영향을 미치는지에 대한 기존 이론에 도전하며, 새로운 연구 방향을 제시합니다. 이러한 관측을 통해 블랙홀의 역동적인 활동을 이해하는 것은 은하 중심부의 진화와 우리 은하 전체의 형성을 이해하는 데 중요한 열쇠가 될 것입니다.

 

 

 

우리 은하 중심 전문가와 국제 협력팀의 연구

우리 은하 중심에 대한 전문가인 유세프-자데는 노스웨스턴 대학교 와인버그 예술과학대학의 물리학 및 천문학 교수입니다. 이번 연구에는 우주 망원경 과학 연구소의 하워드 부슈하우스, NASA의 리처드 G. 아렌트, 호주 맥쿼리 대학교의 마크 워들, 하버드 & 스미스소니언의 조셉 미카일, 국립 전파 천문대의 클레어 챈들러를 포함한 국제적인 공동 연구팀이 참여했습니다.

 

 

 

제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라를 활용한 관측

유세프-자데와 그의 연구팀은 연구를 수행하기 위해 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 근적외선 카메라(NIRCam)를 사용했습니다. NIRCam은 장시간 동안 두 가지 적외선 색상을 동시에 관측할 수 있습니다. 이 이미징 도구를 사용하여 연구진은 1년 동안 8~10시간 단위로 총 48시간 동안 궁수자리 A*를 관측했습니다. 이를 통해 과학자들은 시간이 지남에 따라 블랙홀이 어떻게 변화하는지 추적할 수 있었습니다.

 

 

 

예상보다 활발한 궁수자리 A*의 활동

유세프-자데는 불꽃을 관측할 것으로 예상했지만, 궁수자리 A*는 예상보다 훨씬 더 활발했습니다. 간단히 말해서, 관측 결과는 다양한 밝기와 지속 시간을 가진 지속적인 불꽃놀이를 보여주었습니다. 블랙홀을 둘러싼 강착 원반은 하루에 5~6개의 큰 불꽃과 그 사이에 여러 개의 작은 하위 불꽃을 생성했습니다.

 

 

끊임없이 변화하는 블랙홀의 밝기와 불규칙한 활동

유세프-자데는 "우리 데이터에서 우리는 끊임없이 변화하고 부글거리는 밝기를 보았다"고 말했습니다. "그리고 쾅! 갑자기 밝은 빛이 터져 나왔다. 그러다가 다시 진정되었다. 우리는 이 활동에서 패턴을 찾을 수 없었다. 무작위로 나타나는 것 같다. 블랙홀의 활동 프로필은 우리가 볼 때마다 새롭고 흥미로웠다." 라고 관측 데이터를 설명했습니다.

 

 

 

짧은 불꽃과 긴 불꽃의 원인에 대한 추측

천체물리학자들은 아직 작동 중인 과정을 완전히 이해하지 못하지만, 유세프-자데는 두 가지 별개의 과정이 짧은 폭발과 긴 불꽃을 일으키는 원인이라고 추측합니다. 강착 원반을 강에 비유하자면, 짧고 희미한 깜박임은 강 표면에서 무작위로 변동하는 작은 잔물결과 같습니다. 그러나 더 길고 밝은 불꽃은 더 중요한 사건으로 인해 발생하는 해일과 더 유사합니다. 궁수자리 A*의 역동적인 활동을 더 깊이 이해하기 위해서는 지속적인 관측과 이론적 연구가 필요하며, 이를 통해 블랙홀의 본질과 은하 중심의 복잡한 현상을 밝혀낼 수 있을 것입니다.

 

 

 

강착 원반 내부의 작은 교란과 자기 재결합 현상

유세프-자데 교수는 강착 원반 내부의 작은 교란이 희미한 깜박임을 일으킬 가능성이 있다고 가정합니다. 특히, 원반 내부의 난류 변동은 플라즈마(뜨겁고 전기를 띤 가스)를 압축하여 일시적인 방사선 폭발을 일으킬 수 있습니다. 유세프-자데 교수는 이 현상을 태양 플레어에 비유합니다.

 

 

태양 플레어와 유사한 플라즈마 압축

그는 "태양의 자기장이 모여 압축된 후 태양 플레어를 분출하는 방식과 유사하다"고 설명했습니다. "물론 블랙홀 주변의 환경은 훨씬 더 강력하고 극단적이므로 과정이 더 극적입니다. 하지만 태양 표면도 활동으로 들끓고 있다." 라고 설명하며, 블랙홀의 활동과 태양의 활동이 유사한 메커니즘을 공유함을 강조했습니다.

 

 

 

자기 재결합에 의한 밝은 불꽃

유세프-자데 교수는 크고 밝은 불꽃을 자기 재결합 현상 때문이라고 생각합니다. 자기 재결합은 두 개의 자기장이 충돌하여 가속된 입자 형태로 에너지를 방출하는 과정입니다. 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하는 이러한 입자는 밝은 방사선 폭발을 방출합니다.

 

 

 

정전기 스파크와 유사한 자기 재결합

유세프-자데 교수는 "자기 재결합 현상은 정전기 스파크와 같으며, 어떤 의미에서는 '전기 재결합'이기도 하다"고 말했습니다. 자기 재결합 현상은 플라즈마 내에서 자기장이 재배치되면서 에너지가 방출되는 현상으로, 다양한 천체 현상에서 관측됩니다.

 

 

 

제임스 웹 우주 망원경의 다중 파장 관측

제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 근적외선 카메라(NIRCam)는 2.1미크론과 4.8미크론의 두 가지 개별 파장을 동시에 관측할 수 있기 때문에 유세프-자데 교수와 그의 공동 연구자들은 각 파장에서 불꽃의 밝기가 어떻게 변하는지 비교할 수 있었습니다. 유세프-자데 교수는 두 파장에서 빛을 포착하는 것은 "흑백 대신 컬러로 보는 것과 같다"고 말했습니다. 여러 파장에서 궁수자리 A*를 관측함으로써 그는 그 행동에 대한 더 완전하고 미묘한 그림을 포착했습니다.

 

 

파장별 시간 지연과 블랙홀 주변 물리 과정의 단서

유세프-자데 교수는 "이러한 파장에서 측정한 시간 지연을 본 것은 이번이 처음"이라고 말했습니다. "우리는 NIRCam으로 이 파장들을 동시에 관측했고, 더 긴 파장이 더 짧은 파장보다 아주 작은 양만큼 뒤처진다는 것을 알아차렸습니다. 아마도 몇 초에서 40초 정도일 것입니다."

이 시간 지연은 블랙홀 주변에서 발생하는 물리적 과정에 대한 더 많은 단서를 제공했습니다. 한 가지 설명은 입자가 플레어 과정에서 에너지를 잃고, 더 짧은 파장에서 더 긴 파장보다 더 빠르게 에너지를 잃는다는 것입니다. 이러한 변화는 자기장선을 따라 나선형으로 움직이는 입자들에게서 예상되는 현상입니다.

 

 

 

추가 관측을 통한 정밀 분석 및 주기성 확인

이러한 질문들을 더 탐구하기 위해 유세프-자데 교수는 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 궁수자리 A*를 더 오랜 시간 동안 관측하기를 희망합니다. 그는 최근 중단 없이 24시간 동안 블랙홀을 관측하는 제안서를 제출했습니다. 더 긴 관측 시간은 노이즈를 줄이는 데 도움이 되어 연구자들이 훨씬 더 미세한 세부 사항을 볼 수 있게 해줄 것입니다.

 

 

 

장시간 관측의 필요성 및 기대 효과

유세프-자데 교수는 "이렇게 약한 플레어 현상을 볼 때 노이즈와 경쟁해야 한다"고 말했습니다. "24시간 동안 관측할 수 있다면 노이즈를 줄여 이전에는 볼 수 없었던 특징을 볼 수 있을 것입니다. 그것은 놀라운 일이 될 것입니다. 또한 이러한 플레어가 주기성을 보이는지(또는 반복되는지) 아니면 완전히 무작위인지 확인할 수 있습니다." 라고 설명하며, 장시간 관측이 연구에 가져다 줄 수 있는 긍정적인 효과를 설명했습니다.