5 월 12 일, 전 세계 9 개의 동시 기자 회견에서 천체 물리학 자들은 은하수의 중심부에 블랙홀의 첫 번째 이미지를 공개했습니다. 처음에는 굉장하지만 갤럭시의 중심 어둠 주위의 빛의 고리의 이미지는 전문가들이 이미 기대했던 것을 증명하는 것처럼 보였습니다. 은하수의 초대 같은 블랙홀이 존재하며, 앨버트 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에 순종합니다. 그럼에도 불구하고 면밀히 검사 할 때는 상황이 쌓이지 않습니다.
빛의 베이글의 밝기에서, 연구원들은 가하계의 중심 블랙홀에 주어진 이름 인 궁수 자리 A*에 얼마나 빨리 떨어지고 있는지 추정했습니다. 대답은 다음과 같습니다. Yale University의 우주 학자 인 Priya Natarajan은 은하계를 깨진 샤워 헤드와 비교했습니다. 어쨌든 주변 은하계 매체에서 은하수로 흐르는 수천 명의 문제만으로도 구멍으로 내려갑니다. Natarajan은“이것은 큰 문제를 드러내고 있습니다. “이 가스는 어디로 가고 있습니까? 흐름은 무슨 일이 일어나고 있습니까? 블랙홀 성장에 대한 우리의 이해가 의심되는 것은 매우 분명합니다.”
지난 분기 동안 천체 물리학 자들은 많은 은하들과 중심에있는 블랙홀 사이에 꽉 짜인 역동적 인 관계가 무엇인지 인식하게되었습니다. 하버드 대학교 (Harvard University)의 이론적 천체 물리학자인 라메 쉬 나라 얀 (Ramesh Narayan)은“현장에서는 정말 큰 전환이있었습니다. "놀랍게도 은하가 어떻게 진화하는지에 대한 샤이퍼와 컨트롤러로 블랙홀이 중요하다는 것이 놀랍습니다."
이 거대한 구멍 (중력의 농도는 중력도 탈출하는 것을 방지 할 정도로 밀도가 높습니다)은 은하의 엔진과 같지만 연구자들은 그들이 어떻게 작동하는지 이해하기 시작했습니다. 중력은 먼지와 가스를 은하 중심으로 안쪽으로 끌어 올리며, 이곳에서 초대형 블랙홀 주위에 소용돌이 치는 악기 디스크를 형성하여 가열되어 흰색 hot 플라즈마로 변합니다. 그런 다음 블랙홀 이이 문제 (드리브와 칙칙하거나 갑자기 버스트)를 휩쓸 때, 에너지는 피드백 과정에서 은하로 다시 튀어 나옵니다. 프린스턴 대학교의 이론적 천체 물리학자인 엘리엇 콰 타어 (Eliot Quataert)는“블랙홀을 재배 할 때 우리가 알고있는 다른 과정보다 에너지를 생산하고 주변에 더 효율적으로 버리고 있습니다. 이 피드백은 은하 전역의 별 형성 속도와 가스 흐름 패턴에 영향을 미칩니다.
그러나 연구자들은 초대형 블랙홀의 "액티브"에피소드에 대한 모호한 아이디어를 가지고 있으며, 이에피소드는 소위 활성 은하 핵 (AGN)으로 바뀝니다. “트리거링 메커니즘은 무엇입니까? 끄기 스위치는 무엇입니까? 하버드 스미소니언 천체 물리학 센터의 커스틴 홀 (Kirsten Hall)은 말했다.
별이 초신성으로 폭발 할 때 발생하는 스텔라 피드백은 더 작은 규모에서 AGN 피드백과 유사한 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 이 항성 엔진은 작은 "난쟁이"은하를 조절할 수있을만큼 쉽게 크며, 초대형 블랙홀의 거대한 엔진만이 가장 큰 "타원형"은하의 진화를 지배 할 수 있습니다.
.전형적인 나선 은하 인 은하수는 중간에 있습니다. 그 중심에 명백한 활동의 징후가 거의 없었던 우리 은하는 오랫동안 훌륭한 피드백에 의해 지배되는 것으로 생각되었습니다. 그러나 최근의 몇 가지 관찰에 따르면 AGN 피드백도이를 형성한다고합니다. 홈 갤럭시에서 이러한 피드백 메커니즘 사이의 상호 작용에 대한 세부 사항을 연구하고 궁수 자리 A* - 천체 물리학 자들이 은하와 블랙홀이 일반적으로 어떻게 조화되는지 알아 내기를 희망합니다. Natarajan은“은하수는“가장 강력한 천체 물리학 실험실이되고있다”고 말했다. 소우주 역할을함으로써“열쇠를 붙잡을 수 있습니다.”
은하 엔진
1990 년대 후반, 천문학 자들은 일반적으로 은하의 센터에서 블랙홀의 존재를 받아 들였습니다. 그때까지 그들은이 보이지 않는 물체들에 충분히 가까이있는 것을 볼 수 있었으며 주변의 별의 움직임에서 질량을 추론했습니다. 이상한 상관 관계가 나타났습니다. 은하가 더 큰 거대한 일수록 중심 블랙홀이 무거워집니다. “이것은 특히 빡빡했으며 완전히 혁명적이었습니다. 어떻게 든 블랙홀은 은하계와 이야기하고 있습니다.”라고 Carnegie Mellon University의 천체 물리학자인 Tiziana Di Matteo는 말했습니다.
블랙홀 (그대로 큰)이 갤럭시 크기의 크기의 일부라고 생각할 때 상관 관계는 놀랍습니다. (예를 들어, 은하생 A*는 약 4 백만의 태양입니다. 은하수는 약 1.5 조 개의 태양열 질량을 측정합니다.) 이로 인해 블랙홀의 중력은 은하계의 가장 안쪽 영역에서 강도만으로 당겨집니다.
.영국의 천문학 자 로열 인 마틴 리 (Martin Rees)에게 AGN 피드백은 비교적 작은 블랙홀을 갤럭시에 연결하는 자연스러운 방법을 제공했습니다. 20 년 전, 1970 년대에 Rees는 초대형 블랙홀이 퀘이사라고 불리는 밝고 밝은 빛나는 은하에서 관찰 된 빛나는 제트기에 강력한 블랙홀을 강화했다는 가설을 세웠습니다. 그는 도널드 린든 벨 (Donald Lynden-Bell)과 함께 블랙홀이 왜 은하수의 센터가 빛나는지를 설명 할 것이라고 제안했다. 이것들은 어디에서나 초대형 블랙홀의 크기를 지배하는 일반적인 현상의 징후 일 수 있습니까?
아이디어는 블랙홀이 제비 될수록 더 밝아지고 에너지와 모멘텀이 증가하면 가스가 바깥쪽으로 날려 버린다는 것입니다. 결국, 바깥 쪽 압력은 가스가 블랙홀로 떨어지는 것을 방해합니다. “그것은 성장을 종료 할 것입니다. 손으로 흔들리는 방식으로 그것은 추론이었습니다.”라고 Rees는 말했습니다. 또는 Di Matteo의 말에 따르면,“블랙홀은 먹고 삼킨다”. 매우 큰 은하계는 중앙 블랙홀에 더 많은 무게를 두어 가스를 바깥쪽으로 날려 버리기가 더 어려워서 블랙홀이 삼키기 전에 더 커집니다.
그러나 거의 천체 물리학 자들은 그와 같은 극적인 방식으로 주행 물질의 에너지를 배출 할 수 있다고 확신했다. Natarajan은“제가 논문을 할 때 우리는 모두 가스가 들어가는 지점으로 블랙홀에 사로 잡혔습니다.”라고 말했습니다. "모두가 너무 급진적으로 매우 신중하고 생강 적으로해야했습니다."
.피드백 아이디어의 확인은 몇 년 후 Di Matteo와 천체 물리학 자 Volker Springel과 Lars Hernquist가 개발 한 컴퓨터 시뮬레이션에서 나왔습니다. Di Matteo는“우리는 실제 우주에서 볼 수있는 은하의 놀라운 동물원을 재현하고 싶었습니다. 그들은 기본 그림을 알고있었습니다. 은하는 초기 우주에서 작고 조밀하게 시작합니다. 시계를 전진하고 중력은이 난쟁이를 화려한 합병의 불꽃으로 함께 부수고 고리, 월풀, 시가 및 그 사이의 모든 모양을 형성합니다. 은하는 충분한 충돌 후 크기와 다양성이 커지고 크고 매끄럽게됩니다. Di Matteo는“이것은 결국 덩어리로 끝납니다. 시뮬레이션에서, 그녀와 그녀의 동료들은 나선형 은하를 여러 번 병합하여 타원형 은하라고 불리는 큰 특징없는 블로브를 다시 만들 수있었습니다. 그러나 문제가 있었다.
은하수와 같은 나선 은하에는 파란색으로 빛나는 많은 젊은 별들이 있지만, 거대한 타원 은하는 빨간색으로 빛나는 아주 오래된 별들 만 포함합니다. 독일 Garching에있는 Max Planck Astrophysics Institute의 Springel은“그들은 빨간색과 죽었다”고 말했다. 그러나 팀이 시뮬레이션을 실행할 때마다 파란색으로 빛나는 타원형을 뿌렸습니다. 컴퓨터 모델에서 Star Formation을 끄는 것이 무엇이든 캡처되지 않았습니다.
그런 다음 Springel은 다음과 같이 말했습니다. 우리는이 블랙홀이 압력 밥솥 냄비처럼 날아갈 때까지 가스를 삼키고 에너지를 방출하게했습니다. 갑자기, 타원형 은하는 별 형성을 막고 붉고 죽을 것입니다.”
."내 턱이 떨어졌다"고 덧붙였다. "우리는 [효과]가 그렇게 극단적 일 것으로 기대하지 않았습니다."
붉은 색과 죽음의 타원을 재현함으로써 시뮬레이션은 Rees와 Natarajan의 블랙홀 피드백 이론을 강화했습니다. 블랙홀은 비교적 작은 크기에도 불구하고 피드백을 통해 은하계와 대화 할 수 있습니다. 지난 20 년 동안 컴퓨터 모델은 코스모스의 큰 무리를 시뮬레이션하기 위해 세련되고 확장되었으며, 우리 주변에서 볼 수있는 절충주의 갤럭시 동물원과 크게 일치합니다. 이 시뮬레이션은 또한 블랙홀에서 방출 된 에너지가 은하 사이의 공간을 은하 사이의 공간을 뜨거운 가스로 채 웁니다. 그렇지 않으면 이미 냉각되어별로 변해야합니다. Springel은“사람들은 이제 초대형 블랙홀이 매우 그럴듯한 엔진이라고 확신합니다. "아무도 블랙홀이없는 성공적인 모델을 생각해 내지 않았습니다."
피드백의 미스터리
그러나 컴퓨터 시뮬레이션은 여전히 놀랍게도 무뚝뚝합니다.
물질이 블랙홀 주변의 accretion 디스크로 내부로 들어 오면 마찰로 인해 에너지가 다시 밀려 나옵니다. 이런 식으로 잃어버린 에너지의 양은 코더가 시뮬레이션을 통해 손으로 시뮬레이션에 넣은 것입니다. 세부 사항이 여전히 애매하다는 신호입니다. Quataert는“어떤 경우에는 잘못된 이유에 대한 정답을 얻을 가능성이 있습니다. "어쩌면 우리는 블랙홀이 어떻게 자라는 지, 그리고 주변 환경에 에너지를 버리는 방법에 대한 가장 중요한 것을 포착하지 않을 것입니다."
.진실은 천체 물리학 자들이 AGN 피드백이 어떻게 작동하는지 실제로 모른다는 것입니다. “우리는 그것이 얼마나 중요한지 알고 있습니다. 그러나이 피드백의 원인을 정확하게 탈출하고 있습니다.”라고 Di Matteo는 말했습니다. "핵심적인 주요 문제는 피드백을 깊이, 물리적으로 이해하지 못한다는 것입니다."
그들은 일부 에너지가 방사선으로 방출되어 활성 은하의 중심에 특징적인 밝은 빛을 제공한다는 것을 알고 있습니다. 강한 자기장은 확산 은하 바람이나 강력한 좁은 제트기와 마찬가지로 강조 디스크에서 물질이 발생합니다. 1970 년대에 블랜드 포드-Znajek 프로세스라고 불리는 제트기를 발사하는 블랙홀 (Black Hole)이 제트기를 발사하는 것으로 생각되는 메커니즘은 확인되었지만 빔의 힘을 결정하는 것은 갤럭시 (Galaxy)에 의해 얼마나 많은 에너지가 흡수되는지에 따라 "여전히 해결되지 않은 문제"라고 Narayan은 말했다. accretion 디스크에서 구형으로 나오는 은하 바람은 좁은 제트기보다 은하와 직접 상호 작용하는 경향이있어 훨씬 더 신비합니다. "10 억 달러 규모의 질문은 에너지가 가스에 어떻게 연결되어 있습니까?" Springel.
여전히 문제가 있다는 징후 중 하나는 최첨단 우주 시뮬레이션의 블랙홀이 일부 시스템에서 관찰 된 실제 초대형 블랙홀보다 작다는 것입니다. 별 형성을 끄고 붉은 색과 죽음 은하를 만들려면 시뮬레이션은 너무 많은 에너지를 배출하기 위해 블랙홀이 필요합니다. “시뮬레이션의 피드백은 너무 공격적입니다. Natarajan은 말했다
은하수는 반대의 문제를 보여줍니다. 시뮬레이션은 일반적으로 크기의 은하가 궁수 자리보다 3 배에서 10 배 더 큰 블랙홀을 가져야한다고 예측합니다.
연구자들은 은하수와 인근 은하를 자세히 살펴보면 AGN 피드백이 어떻게 작동하는지 정확하게 풀기 시작할 수 있기를 바랍니다.
은하계 생태계
2020 년 12 월, Erosita X-Ray Telescope의 연구원들은 은하수 위와 아래에서 수만 광년을 늘리는 한 쌍의 거품을 발견했다고보고했습니다. 엑스레이의 광대 한 거품은 10 년 전 페르미 감마선 우주 망원경이 은하에서 나오는 것을 감지 한 감마선의 거품과 똑같이 유쾌한 거품과 비슷했습니다.
Fermi Bubbles의 두 가지 기원 이론은 여전히 뜨거운 논쟁을 벌이고있었습니다. 일부 천체 물리학 자들은 그들이 수백만 년 전에 궁수 자리에서 촬영 한 제트의 유물이라고 제안했습니다. 다른 사람들은 거품이 은하 중심 근처에서 폭발하는 많은 별의 축적 에너지라고 생각했습니다.
대만 국립 Tsing Hua University의 Hsiang-Yi Karen Yang은 Erosita X-Ray Bubbles의 이미지를 보았을 때“위아래로 점프하기 시작했습니다.” 양은 X- 레이가 동일한 AGN 제트에 의해 둘 다 생성 된 경우 감마 광선으로 공통 기원을 가질 수 있다는 것이 분명했다. (엑스레이는 제트 자체가 아닌 은하수의 충격적인 가스에서 나올 것입니다.) 공동 저자 인 Ellen Zweibel 및 Mateusz Ruszkowski와 함께, 그녀는 컴퓨터 모델 구축을 시작했습니다. 자연 천체 물리학 에 발표 된 결과 지난 봄, 관찰 된 거품의 모양과 밝은 충격 전선을 복제 할뿐만 아니라 260 만 년 동안 (10 만 년 동안 활성화 된 제트에서 바깥쪽으로 확장)가 너무 빨리 설명하기에는 너무 빨리 설명되어 있습니다.
.이 결과는 연구자들이 생각했던 것보다 은하수와 같은 밀도의 디스크 은하에서 AGN 피드백이 훨씬 더 중요 할 수 있음을 시사합니다. Yang은 떠오르는 그림은 생태계의 그림과 유사하다고 AGN과 별의 피드백은 은하를 둘러싸고있는 확산, 뜨거운 가스와 함께 뇌간 매체라고 불리는 그림과 비슷하다고 말했다. 다른 효과와 흐름 패턴은 다른 은하 유형과 다른 시간에 지배적입니다.
은하수의 과거와 현재에 대한 사례 연구는 이러한 과정의 상호 작용을 공개 할 수 있습니다. 예를 들어, 유럽의 가이아 우주 망원경은 수백만의 은하수 스타들의 정확한 위치와 움직임을 매핑하여 천체 물리학 자들이 더 작은 은하로 합병의 역사를 되찾아 줄 수 있습니다. 이러한 합병 사건은 물질을 흔들어 초대형 블랙홀을 활성화하여 갑자기 밝게하고 심지어 제트기를 발사하도록 가정되었습니다. Quataert는“이 분야에서 합병이 중요한지 여부에 대한 큰 논쟁의 여지가 있습니다. GAIA 스타 데이터는 은하수가 Fermi와 Erosita Bubbles가 형성된 당시 합병을 겪지 않았으며 AGN 제트의 트리거로 합병을 불리하게하지 않았 음을 시사합니다.
.
또는 가스 덩어리는 블랙홀과 충돌하여 활성화 될 수 있습니다. 그것은 식사, 제트기와 은하의 바람으로 에너지를 쫓아 내고 일시 정지 사이에서 혼돈 적으로 전환 될 수 있습니다.
이 행사 Horizon Telescope의 최근 Sagittarius A*이미지는 현재의 전염병의 물질을 드러내면서 새로운 퍼즐을 제공합니다. 천체 물리학 자들은 은하계로 끌려가는 모든 가스가 은하식 바람 이이 증가 흐름에 대해 바깥쪽으로 밀려 있기 때문에 블랙홀 수평선에 그것을 만들지는 않았다는 것을 이미 알고있었습니다. 그러나 이러한 극도로 테이퍼 된 흐름을 설명하는 데 필요한 바람의 강도는 비현실적입니다. Narayan은“시뮬레이션을 할 때 큰 바람이 보이지 않습니다. "무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 완전한 설명에 필요한 바람이 아닙니다."
.중첩 시뮬레이션
은하가 어떻게 작동하는지 이해하는 데있어 도전의 일부는 별과 블랙홀에서 플레이 할 때의 길이 척도, 전체 은하의 비늘과 주변의 주변의 큰 차이입니다. 컴퓨터에서 물리적 프로세스를 시뮬레이션 할 때 연구원들은 규모를 선택하고 해당 규모의 관련 효과를 포함시킵니다. 그러나 은하에서는 크고 작은 효과가 상호 작용합니다.
Narayan은“블랙홀은 빅 갤럭시에 비해 정말 작으며 하나의 단 하나의 엄청난 시뮬레이션에 넣을 수는 없습니다. "각 정권은 다른 사람의 정보가 필요하지만 연결하는 방법을 모릅니다."
.Narayan, Natarajan 및 동료들은이 격차를 해소하기 위해 중첩 시뮬레이션을 사용하여 가스가 은하수와 인근 활성 은하 Messier 87에 대한 일관된 모델을 구축 할 프로젝트를 시작하고 있습니다. "둥글고 둥글고 둥글게가는 루프입니다."
시뮬레이션은 은하 및 주변의 확산 가스의 흐름 패턴을 명확하게하는 데 도움이됩니다. (James Webb Space 망원경에 의한 환경 매체의 추가 관찰도 도움이 될 것입니다.)“이것은 전체 생태계의 중요한 부분입니다.”라고 Quataert는 말했습니다. "가스를 블랙홀로 어떻게 내려 놓을 수있는 모든 에너지를 주도합니까?"
결정적으로, 새로운 체계에서, 다른 스케일의 시뮬레이션 사이의 모든 입력과 출력은 일관성이 있어야하므로 다이얼이 더 적게 남겨 두어야합니다. Narayan은“시뮬레이션이 제대로 설정되면 블랙홀에 얼마나 많은 가스가 도달 해야하는지 스스로 일축 할 것입니다. “우리는 그것을 조사하고 물어볼 수 있습니다. 왜 모든 가스를 먹지 않았습니까? 왜 그렇게 까다 롭고 이용 가능한 가스를 거의 가져 갔습니까?” 이 그룹은 진화의 여러 단계에서 은하의 일련의 스냅 샷을 만들기를 희망합니다.
현재, 이러한 은하 생태계에 대한 많은 부분은 여전히 직감입니다. Yang은“사람들이 이러한 중복 시나리오에 대해 생각하기 시작한 새로운 시대입니다. "나는 명확한 대답이 없지만 몇 년 안에 있기를 바랍니다."
편집자 주 :Priya Natarajan은 현재 Quanta의 과학 자문위원회에서 활동하고 있습니다.
