보관 망원경 데이터 사용 쌍둥이자리 북쪽, 천문학자들은 지금까지 발견된 가장 무거운 초대질량 블랙홀 쌍을 측정했습니다. 두 개의 초대질량 블랙홀이 합쳐지는 현상은 오래전부터 예측됐지만 관측된 적은 없었다. 이 거대한 쌍은 왜 그러한 사건이 우주에서 일어날 것 같지 않은지에 대한 단서를 제공합니다.
거의 모든 거대 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 있습니다. 두 은하가 합쳐지면 블랙홀은 쌍성 쌍을 형성할 수 있습니다. 즉, 서로 바운드 궤도에 있을 수 있습니다. 이러한 이진 쌍은 시간이 지남에 따라 병합될 운명이라는 가설이 있지만 이는 관찰된 적이 없습니다. 그러한 사건이 가능한지에 대한 질문은 수십 년 동안 천문학자들 사이에서 논쟁의 주제였습니다.
천문학자들은 타원 은하 B2 0402+379에 위치한 초거대 쌍성 블랙홀을 분석하기 위해 국립 물리학 연구소의 NOIRLab이 운영하는 제미니 국제 관측소의 절반인 하와이의 제미니 노스 망원경의 데이터를 사용했습니다. 이는 두 물체를 별도로 볼 수 있을 만큼 자세하게 관찰된 유일한 초대질량 쌍성 블랙홀이며, 직접 측정한 최단 거리인 24광년에 대한 기록을 보유하고 있습니다. 이러한 가까운 거리가 강력한 합병을 예고하는 반면, 추가 조사에 따르면 두 쌍이 억년 넘게 이 거리에 갇혀 있었던 것으로 밝혀졌습니다. 이는 지연의 이유가 무엇인가?
이 시스템의 역학과 지연된 합병을 더 잘 이해하기 위해 팀은 GMOS(Gemini North Multi-Object Spectrograph)의 보관 데이터를 활용하여 블랙홀 근처에 있는 별의 속도를 결정할 수 있었습니다.
이번 논문의 공동 저자이자 스탠포드 대학 물리학과 교수인 Roger Romani는 "GMOS의 놀라운 감도 덕분에 우리는 별이 은하계 중심에 접근할 때 별의 속도 증가를 지도화할 수 있었습니다."라고 말했습니다. "이 덕분에 우리는 그곳에 존재하는 블랙홀의 전체 질량에 대한 결론을 도출할 수 있었습니다."
연구팀은 쌍성 블랙홀의 질량이 태양 질량의 28억 배에 달해 지금까지 측정된 쌍성 블랙홀 중 가장 무거운 것으로 추정하고 있다. 이번 측정은 쌍성계의 형성과 모은하의 역사에 대한 귀중한 맥락을 제공할 뿐만 아니라 초대질량 쌍성 블랙홀의 질량이 잠재적인 합병을 저지하는 데 중요한 역할을 한다는 오랜 이론을 확증해 줍니다.
Gemini International Observatory의 NSF 프로그램 디렉터인 Martin Still은 "Gemini International Observatory 데이터 아카이브에는 아직 개발되지 않은 과학적 발견의 금광이 포함되어 있습니다."라고 말했습니다. "이 초거대 쌍성 블랙홀의 질량을 측정하는 것은 이 풍부한 기록을 조사하는 새로운 연구의 잠재적 영향을 보여주는 놀라운 예입니다."
이 쌍성이 어떻게 형성되었는지 이해하면 병합 여부와 시기를 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다. 여러 단서는 여러 은하의 병합으로 쌍이 형성되었음을 나타냅니다. 첫째, B2 0402+379는 "화석 성단", 즉 전체 은하단의 별과 가스가 하나의 거대한 은하로 합쳐진 결과입니다. 또한, 두 개의 초대질량 블랙홀이 큰 결합 질량과 결합되어 존재한다는 것은 서로 다른 은하계에서 온 여러 개의 작은 블랙홀이 합쳐져 형성되었음을 시사합니다.
은하계 합병 후에는 초대질량 블랙홀이 정면으로 충돌하지 않습니다. 대신, 그들은 서로를 지나서 날기 시작하여 제한된 궤도에 안착합니다. 패스할 때마다 에너지는 블랙홀에서 주변 별들로 전달됩니다. 에너지를 잃으면 쌍은 중력 복사가 이어져 합쳐지는 광년 떨어져 있을 때까지 점점 더 가까워집니다. 이 과정은 항성질량 블랙홀 쌍에서 직접적으로 관찰되었으며(중력파 탐지 덕분에 2015년에 첫 번째 사례가 기록되었습니다), 쌍성 초거대 시스템에서는 관찰된 적이 없습니다.
시스템의 극도로 큰 질량에 대한 새로운 지식을 바탕으로 팀은 쌍성계의 궤도를 서로 가깝게 만들 수 있을 만큼 속도를 늦추려면 극도로 많은 수의 별이 필요하다는 결론을 내렸습니다. 그 과정에서 블랙홀은 주변의 거의 모든 물질을 방출하여 은하핵에는 별과 가스가 없는 것으로 보입니다. 더 이상 쌍의 궤도를 늦출 수 있는 물질이 없어 두 사람의 합병은 최종 단계에서 중단되었습니다.
"더 가벼운 블랙홀 쌍을 가진 은하계는 일반적으로 빠르게 수렴할 수 있을 만큼 충분한 별과 질량을 갖고 있는 것 같습니다."라고 Romani는 말합니다. “이 쌍은 너무 무거우므로 작업을 완료하려면 많은 별과 가스가 필요합니다. 그러나 이 쌍성은 중심은하에서 그러한 물질을 제거하여 우리 연구에 사용할 수 있도록 동결된 상태로 남겨두었습니다."
그들이 침체를 극복하고 결국 수백만 년 안에 합쳐질 것인지, 아니면 영원히 궤도의 림보에 남을 것인지는 아직 알 수 없습니다. 이들이 합쳐지면 결과로 나타나는 중력파는 항성질량 블랙홀이 합쳐져서 생성되는 것보다 100억 배 더 강력해질 것입니다.
쌍이 또 다른 은하 합병을 통해 이 최종 거리를 극복할 수 있을 가능성이 있습니다. 이를 통해 시스템에 추가 물질을 불어넣거나 세 번째 블랙홀을 만들어 쌍의 궤도를 병합할 수 있을 만큼 느리게 만들 수 있습니다. 그러나 B2 0402+379의 화석 성단으로서의 지위를 고려할 때 새로운 은하 합병은 일어날 가능성이 낮다.
스탠포드 대학원생이자 논문의 주요 저자인 Tirth Surti는 "우리는 B2 0402+379의 핵심에 대한 추가 연구를 기대하고 있으며, 거기에서 얼마나 많은 가스가 포함되어 있는지 확인할 수 있습니다."라고 말했습니다. "이것은 초대질량 블랙홀이 시간이 지남에 따라 합쳐질 수 있는지, 아니면 쌍성계로 남을 것인지에 대한 더 많은 통찰력을 제공할 것입니다."
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