커틴 대학교(Curtin University)가 주도하고 전 세계 여러 전파 망원경과 함께 수행한 새로운 연구에 따르면 블랙홀 제트가 전달하는 에너지는 매우 놀랍습니다. 그 힘은 태양 10,000개에 해당할 수 있습니다. 블랙홀이 어떻게 우주의 대규모 구조를 재형성하는지에 대한 오랜 이론은 중요한 관측적 지지를 얻었습니다.
이 논문은 "Nature Astronomy"에 게재되었습니다. 연구팀은 최초로 확인된 블랙홀과 거대 초거성이 포함된 유명한 X선 쌍성계 '백조자리 X-1'을 목표로 삼았다. 관측 결과에 따르면 이 시스템에서 생성된 제트는 순간 에너지 출력 측면에서 태양 약 10,000개의 에너지와 맞먹을 수 있습니다.
이 측정을 달성하기 위해 과학자들은 전 세계에 분산된 전파 망원경을 연결하여 매우 높은 각도 분해능으로 궤도 기간 동안 제트의 미묘한 변화를 포착하기 위해 "지구 규모 조리개"를 갖춘 관측 어레이를 구축했습니다. 연구에 따르면 블랙홀이 동반성 주위를 공전할 때 초거성의 강력한 항성풍이 지속적으로 제트에 영향을 미쳐 제트의 방향이 편향되고 궤적이 흔들리게 되는데, 이는 마치 강한 바람이 분수의 물기둥을 교란시키는 것과 유사합니다.
항성풍의 세기와 제트기의 편향을 동시에 분석함으로써, 연구팀은 과거처럼 수천 년에 걸친 장기 평균 추정만 하는 것이 아니라 최초로 '실시간' 규모로 제트력을 추론할 수 있게 됐다. 결과는 블랙홀 근처의 물질이 내부로 낙하할 때 방출되는 에너지의 약 10%가 제트에 의해 고속으로 방출되어 주변 환경으로 주입되는 것을 보여줍니다. 이 비율은 오랫동안 우주에 대한 대규모 수치 시뮬레이션에서 일반적으로 사용된 가정과 매우 일치하지만 이전에는 직접적인 관측 검증이 부족했습니다.
이 연구는 또한 제트 속도의 주요 매개 변수를 제공합니다. 제트 물질은 빛 속도의 약 절반, 초당 약 150,000km(약 93,000마일)로 분출됩니다. 이 값은 수십 년 동안 정확하게 결정하기 어려웠습니다. 논문의 제1저자이자 현재 옥스퍼드 대학교에서 근무하고 있는 스티브 프라부(Steve Prabu) 박사는 항성풍에 의해 지속적으로 "밀어지는" 이러한 제트를 "춤추는 제트기"라고 생생하게 부르며, 쌍성 별의 궤도 운동 동안 끊임없이 변화하는 방향의 역동적인 장면을 묘사합니다.
공동 저자 중 한 명인 커틴 대학교 전파 천문학 연구소와 국제 전파 천문학 연구 센터 커틴 분과의 제임스 밀러-존스 교수는 이전의 기술적 방법은 주로 매우 긴 기준선에 걸쳐 제트의 평균 출력을 제공했는데, 이는 물질이 블랙홀에 떨어졌을 때 즉시 생성되는 X선 복사와 일치하기 어려웠다고 지적했습니다. 이번 연구에서는 궤도 주기 동안 항성풍에 의해 제트가 휘어지는 정도를 지속적으로 추적할 수 있기 때문에 과학자들은 제트 에너지와 엑스선 에너지를 동일한 시간 규모에서 직접 비교할 수 있었다.
밀러 존스 교수는 이론상 일반적으로 블랙홀 근처의 물리적 과정은 항성 블랙홀부터 초대질량 블랙홀까지 블랙홀의 질량에 관계없이 본질적으로 매우 유사하다고 믿고 있다고 강조했다. 따라서 "백조자리 X-1"의 제트 파워에 대한 정확한 측정은 다양한 규모의 블랙홀 제트를 이해하는 데 중요한 "기준"을 제공하며 태양 질량의 천만~1천만 배에 달하는 다양한 블랙홀 제트 모델을 보정하는 데 사용할 수 있습니다.
서호주와 남아프리카 공화국에 건설 중인 Square Kilometer Array 전파 망원경과 같은 차세대 대규모 과학 시설이 가동됨에 따라 천문학자들은 수백만 개의 먼 은하에서 오는 블랙홀 제트 신호를 감지할 수 있을 것으로 기대합니다. 연구팀은 이번 '백조자리 X-1'의 벤치마크 측정을 통해 앞으로 이 거대한 샘플의 전체 에너지 출력을 계산하고 해석할 때 블랙홀이 호스트 은하 가스, 별 형성, 심지어 대규모 우주 구조에 미치는 피드백 효과를 보다 정확하게 평가할 수 있을 것이라고 밝혔습니다.
연구에 따르면 블랙홀 제트는 주변 환경을 변화시키고 은하계의 진화를 형성하는 주요 물리적 메커니즘 중 하나입니다. 그들은 은하간 공간에 에너지와 물질을 주입할 수 있고, 새로운 세대의 별의 형성을 억제하거나 촉발할 수 있으며, 따라서 우주 역사에서 "조절자" 역할을 할 수 있습니다. "춤추는 제트"를 사용한 이 전력 측정은 이 거시적 그림에 견고한 관측 기준을 추가하며 우주 진화에서 블랙홀과 블랙홀 제트의 중심 역할에 대한 인류의 더 깊은 이해를 촉진할 것으로 기대됩니다.