은하 중심 '젊은' 블랙홀 밝기 증가 현상 발견…"별 진화 초기 전자 공급 증가"

한국천문연구원 주도로 미국 장비 이용 등 국제공동연구

은하 중심에 위치한 '젊은' 블랙홀 초기 활동이 처음 관측됐다.

한국천문연구원은 국제공동연구로 젊은 활동 은하핵(AGN, 3C 138)에서 수년에 걸쳐 빛이 밝아지는 현상을 포착하고, 발생 위치를 밝혀냈다고 8일 밝혔다.

연구팀은 ‘3C 138’ 밝기 증가가 은하 중심부 전파코어에서 일어났으며, 이는 강한 자기장보다는 고에너지 전자의 공급 증가와 관련이 있다는 사실도 확인했다.

젊은 활동은하핵 '3C 138'의 전파 제트 구조를 나타낸 개념 예상도. 그 위에 VLA 41 GHz 관측으로 얻은 전파 제트 등고선과 KVN 86 GHz 코어 영역의 확대 영상을 제시했다.(그림=한국천문연구원)

이 연구는 한국천문연구원 주도로 미국에 위치한 초대형 전파망원경 배열(VLA)과 초장기선간섭계(VLBA)가 활용됐다. 별생성진화연구센터의 리선 연구원과 이상성 센터장, 정위연 박사가 주저자로 참여했다. 

연구결과는 천문학 및 천체물리학 저널에 게재됐다.

이상성 센터장은 "얼마되지 않은 수만 광년 이내 은하 중심 블랙홀이 밝은 빛을 내는 물질을 뿜어내는 것을 관측한 것"이라며 "별이 진화하는 초기 상태와 현상을 파악할 단서"라고 말했다.

'3C 138'은 밀집 급경사 스펙트럼 천체(CSS)로 분류되는 젊은 활동은하핵이다. 전파 구조가 모은하 내부에 모여 있을 정도로 작고 젊다.

CSS 전체는 일반적으로 전파 밝기 변화가 크지 않은 천체를 뜻한다. 반면 '3C 138'은 지난 2022년부터 뚜렷한 전파 증광을 보였다. 감마선 활동과 X선 방출 증가도 보고되면서 밝기 증가 원인이 무엇인지에 과학기술계 관심이 높았다.

이상성 센터장은 "빛의 증가(증광)이 전파코어에서 발생했는지, 또는 먼 제트 구조에서 발생했는지를 확인하는 것이 중요했다"고 덧붙였다.

전파 스펙트럼 연구에 따르면, '3C 138'의 제트 활동은 수만 년 전에 시작된 것으로 추정됐다. 약 46억 살인 태양과 비교하면 우주에서는 이제 막 태어난 아기와 같은 수준이다. 전파 제트 크기도 약 1만 광년 정도에 그쳐 아직 모은하 물질과 상호작용하기 쉬운 단계다. 충분히 성장한 전파은하 제트는 수십만 광년, 때로는 수백만 광년까지 뻗어나가기도 한다.

연구팀은 이들 미국에 위치한 장비를 활용해 '3C 138' 가장 서쪽에 있는 전파코어가 2022년부터 2025년 사이 약 2.6배 밝아졌다는 사실을 확인했다. 반면 주변 다른 작은 구조와 더 멀리 있는 제트는 뚜렷한 밝기 증가를 보이지 않았다.

연구팀은 "전파코어 스펙트럼은 일반적인 CSS 천체와 달리 특정 주파수에서 밝기가 다시 증가하는 독특한 형태를 보였다"고 설명했다.

연구팀은 이를 ‘싱크로트론 자체흡수(SSA) 현상으로 해석했다. 매우 조밀한 영역 안에서 낮은 주파수의 전파가 다시 흡수되면서 나타나는 현상이다.

연구팀은 또 SSA 분석을 통해 전파코어 내부 자기장 세기도 추정했다. 자기장은 예상보다 약했고, 대신 고에너지 전자들이 새롭게 대량 공급된 것으로 나타났다. 이는 이번 밝기 증가가 자기장 강화 때문이라기보다, 입자 주입 또는 입자 가속이 강화된 결과일 가능성을 시사한다. 또한 이렇게 가속된 입자들은 주변 광자를 더 높은 에너지로 끌어올릴 수 있어, 이번에 함께 관측된 X선 및 감마선 활동 증가 원인도 설명할 수 있다.

제1저자인 리선 천문연/UST 연구원은 “젊은 활동은하핵 밝기 증가가 어디에서, 어떤 물리적 과정으로 일어나는지를 보여준다”며,“이는 젊은 활동은하핵에서 제트 활동이 어떻게 강화되는지 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”고 전했다.