https://www.coursera.org/learn/data-driven-astronomy
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Week 2: Big data makes things slow
제2주차: 자료가 방대해지면 뭘하든 느려진다.
- How to work out the time complexity of algorithms
복잡한 계산을 빠르게 수행하는 방법
- Exploring the black holes at the centers of massive galaxies
거대 은하의 중심부 블랙 홀 찾기
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1강: 방대한 자료는 일을 더디게 만든다
Lesson 1: Big Data makes things slow / 한글자막
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2강: 초거대 블랙홀과 활동성 은하 핵(AGN)
Lesson 2: Supermassive Black Hole / 한글자막 / 영문자막
[강의대본]
00:00:00.000 --> 00:00:03.325
[MUSIC] 은하핵에 은둔 중인 괴물
[00:03] 맑은 밤하늘을 올려다 보면, 도심에 있지 않는 한 전 하늘에 걸쳐 별들의 향연이 펼쳐지는 것을 볼 수 있다. 그렇게 수많은 별을 볼수 있다는 것은 행운이 아닐 수 없다. 도심의 불빛에서 벗어나 충분히 어두운 곳에 갈 수 있을 만큼 운이 좋다면 지평선 한쪽에서 반대편으로 뻗어있는 은하수의 띠를 볼 수 있을 것이다.
[00:21] 이 은하수의 띠가 바로 별들이 밀집된 우리은하의 원반으로 빛의 띠처럼 보이는데 우리 눈으로는 그 띠에서 별들을 구분하여 볼 수 없기 때문이다.
[00:32] 하지만 우리가 눈으로 보는 것은 전체 그림의 극히 일부분에 지나지 않는다[Visible]. 우리 눈은 단지 빛을 감지할 수 있고 전자기 파의 전체 범위중 가시광 부분이다.
[00:41] 만일 우리의 눈이 전파나 X-선 영역 까지도 볼 수 있다면 하늘은 어떤 모습일까?
은하는 별들 만으로 구성되어 있지 않고 상당량의 가스(Gas)와 먼지(Dust) 그리고 대부분의 대형 은해의 중심부에 초거대 블랙홀(Black-Hole)이 자리하고 있다. 초거대 블랙홀은 수백만 심지어 수십억 개의 태양이 우리 태양계 만한 면적에 밀집되어 있는 셈이다. 비록 전체 은하계의 규모에 비해 아주 작지만 이들 블랙홀은 은하계의 형성과 성장에 지대한 영향을 미칠 수 있다.
은하는 별들 만으로 구성되어 있지 않고 상당량의 가스(Gas)와 먼지(Dust) 그리고 대부분의 대형 은해의 중심부에 초거대 블랙홀(Black-Hole)이 자리하고 있다. 초거대 블랙홀은 수백만 심지어 수십억 개의 태양이 우리 태양계 만한 면적에 밀집되어 있는 셈이다. 비록 전체 은하계의 규모에 비해 아주 작지만 이들 블랙홀은 은하계의 형성과 성장에 지대한 영향을 미칠 수 있다.
[01:16] 은하계 중심에 수많은 가스들이 존재하는 경우 이 물질은 강착원반(Accretion Disk, 降着圓盤)을 형성하며 블랙홀로 뭉쳐진다.
[주] 강착원반(降着圓盤)과 Accretion Disk(누적원반): 거대 질량이 빠르게 중심으로 뭉치는 과정에서 자유낙하하면 중심부는 워낙 강력한 에너지의 집중으로 폭발할 것이다. 빨려 들어가는 물질들은 회전하여 원심력으로 분산되어야 '연착륙'하여 고밀도 거대질량의 중심부가 형성 될 수 있다. 이 과정을 설명하는 단어가 강착원반(降着圓盤)과 Accretion Disk(누적원반)인데 한자와 영어의 표현이 약간 다르다. Accretion Disk(누적원반)는 거대한 질량이 매우 밀집된 중심부가 주변의 물질들을 빠른 원운동으로 회오리치며 빨아들아는 의미로, 降着圓盤(내려앉은 원반)은 구형으로 분포하던 물질이 납작하게 짜브러 들어 원반을 형성한다는 의미다. "고밀도 회오리 원반" 각각 절반씩 표현하고 있다. 강착원반은 은하계 뿐만 아니라 태양계등 먼지로부터 '고밀도 거대 질량'의 형성과정을 설명할 때 적용된다.
[01:25] 이 과정에서 엄청난 양의 에너지를 분출한다. 이것을 AGN, 활동성 은하 핵(Active Galactic Nucleus)이라고 부른다. AGN에 의해 생성된 복사는 굉장히 밝아서 전체 은하의 밝기를 넘어서고 은하내의 전체 별을 모아놓은 것보다 더 많은 에너지를 생성한다.
[01:44] 가스들이 뭉치는 강착의 과정은 또한 강력한 자기장의 거대한 분출(jet)을 형성하며 블랙홀 주변에서 뿜어져 나온다. 그리고 이렇게 형성된 자기장을 따라 회오리 치는 빠르게 움직이는 전자들은 엄청난 양의 전파를 방출한다. 이런 전파의 분출(radio jet)은 엄청난 규모로 성장한다. 때론 은하로부터 수백만 광년 멀리 뻗어나기도 한다. 이는 또한 중심부 블랙홀의 과거 활동에 대한 정보를 제공하기도 한다. 마치 지구 지표면의 퇴적층을 통해 과거 지질학적 환경 변화를 추측할 수 있는 것 처럼 전파 분출 구조에서 서로다른 강착 활동이 있었던 다른 시대를 추측할 수 있다. 하지만 모든 은하가 AGN을 가지는 것은 아니다. 그리고 모든 AGN이 전파를 분출하는 것도 아니다. 실제로 약 10%가량의 은하 중심핵이 전파를 분출할 뿐이다. 어떤 이유로 활동성 중심핵이 되는지 그리고 왜 그들중 일부가 은하가 형성되는 과정에서 거대 분출이 일어나는지 밝히는 것이 여전히 의문으로 남아있다.
[02:49] 전자기파의 전제영역 중 각기 다른 부분에서 은하들를 연구하므로서 활동성 은하 핵의 다른 부분에 대한 보완적 정보를 얻을 수 있다.
[02:58] 예를 들면 강착 원반에서 복사는 가시광과 자외선 파장대에서 가장 강하다. 반면 적외선 파장대의 복사는 블랙홀 주변의 먼지 밀집지역에서 강하다. 에너지 분출(jet)이 상당량의 전파 방출을 만들어내고 블랙홀 영역의 중심부를 둘러싼 뜨거운 가스는 X-선 방출을 만들어낸다.
[03:18] 이런 은하에 적용되는 물리학을 완벽하게 이해하려면 AGN의 온전한 그림을 그리기 위해 앞서 열거한 모든 정보를 취합한다.
...And to fully understand the physics at play in these galaxies, we need to piece all this information together to get the complete picture of AGN.
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[퀴즈] Week 2 Quiz 1
Supermassive black holes: test your understanding
초거대 블랙홀의 이해
Quiz, 5 questions
5문제
Question 1:
Why would an 'isolated' black hole be very difficult to detect? (d)
독립된 블랙홀을 발견하기 어려운 이유는 무엇인가?
a) It would not be rotating rapidly.
빠르게 회전하지 않기 때문이다
b) There would be very few stars behind it whose light was blocked by the hole.
블랙홀에 의해 별들의 빛이 차단되기 때문에 그뒤에 놓인 별을 찾아볼 수 없기 때문이다.
c) There would be no light source nearby.
근처에 광원이 없을 것이다.
d) Very little matter would be falling on to it.
블랙홀 안으로 빨려들어가는 물질이 거의 없기 때문이다.
* 빛조차 빨아들이는 블랙홀을 직접 관측하기는 불가능하다. 적외선, 전파 방출, X-선 파장대의 관측을 통해 얻은 은하 중심의 활동을 물리학적으로 설명하려면 거대 블랙홀이 존재해야 한다. 은하중심이 아닌 '독립된' 블랙홀이 발견되기 어려운 이유는 빨려들어가는 물질이 주변에 없기 때문에 이런 관측이 불가능 하기 때문이다.
Question 2:
Why do the galaxies hosting most AGN look relatively normal in visible light? (a)
중심에 AGN을 보유한 은하들이 가시광 영역에서 관측되는 이뉴는 무엇인가?
a) The mass of the central black hole is small compared to the entire galaxy.
은하중심부의 거대 블랙홀의 질량이 은하 전체의 질량에 비해 작다.
b) Most AGN have 'turned on' relatively recently.
대부분 AGN이 비교적 최근에 활동을 시작 했다.
c) The AGN ejects most of its matter from the galaxy via jets, leaving the galaxy undisturbed.
AGN이 은하를 평온하게 유지하며 제트분출을 통해 은하의 물질의 대부분을 방출한다.
d) The AGN are slowly consuming the galaxy, but most haven't yet had time to accerte enough matter to make a difference.
AGN이 천천히 은하를 빨아들이고 있는 중이다. 하지만 질량을 가질 만큼 충분한 시간이 지나지 않았다.
* 빛조차 빨아들일 만큼 거대하게 성장한 활동성 블랙홀이 중심에 존재하는 은하는 가시광에서 관측되지 않을 것이다. 하지만 전파 관측으로 약 10% 가량의 은하가 블랙홀을 보유한 것으로 관측되었다. 중심에 거대 블랙홀이 존재하는 은하가 관측되는 이유는 AGN이 은하 전체의 빛을 빨아들일 만큼 거대하게 성장하지 않았기 때문이다.
Question 3:
What are the key features of our model of active galactic nuclei (AGN)? (d)
AGN 모형의 주요 특성은?
a) A supermassive black hole at the centre of a normal spiral galaxy.
대부분 나선은하의 중심에 초거대 블랙홀이 있다.
(10%가량의 은하에 AGN이 존재한다)
b) A gravitational lens intensifying the radiation coming from the central black hole.
중력렌즈가 중심 블랙홀에서 나오는 복사를 돋보이게 한다.
(중력렌즈는 뒷편의 복사를 휘게 만든다.)
c) An accretion disk around a neutron star.
중성자별 주위에 강착원반이 형성되어 있다.
(블랙 홀은 중성자별 보다 훨씬 밀집되어 무겁다. 중성자 별은 모형이 아니다.)
d) A supermassive black hole surrounded by an accretion disk and a dense disk of gas and dust.
초거대 블랙홀이 가스와 먼지로 밀집된 원반과 강착원반이 둘러 쌓여있다.
Question 4:
Why is the material that accretes onto a black hole expected to produce x-rays? d
블랙 홀로 응집하는 물질들이 X-선을 방출하는 이유는 무엇인가?
a) As the material slows down in the hole, it converts thermal energy to x-rays.
물질들이 서서히 블랙 홀로 몰려듬에 따라 열 에너지를 X-선으로 변환한다.
b) Hydrogen nuclei begin to fuse and emit high energy photons.
수소핵이 고에너지 광자들이 방출하도록 도화선이 된다.
c) The material will produce radiation because of the presence of a strong magnetic field.
강력한 자기장이 형성되어 있기 때문에 물질들이 X-선을 방출한다.
(강력한 자기장에서 전자들이 회오리 치며 방출하는 것은 전파다.)
d) The material close to the black hole will become hot enough to emit strongly at x-ray wavelengths.
블랙 홀 가까이에 있는 물질들이 충분히 가열되어 강력하게 x-선 파장을 방출한다.
Question 5:
Which of the following is evidence for a supermassive black hole in an active galaxy? (d)
활동성 은하의 중심에 초거대 블랙홀이 존재한다는 근거로 맞는 것은 무엇인가?
a) Powerful jets coming from a compact core.
조밀한 중심에서 강력한 제트 분출이 있다.
b) Rapid changes in the luminosity of the galaxy nucleus.
은하 핵에서 광도의 활발한 움직임이 관측된다.
c) Very high speed orbital motions of stars in the galactic nucleus.
은하 핵 인근의 별들이 매우 높은 속도로 궤도운동(공전)하는 것이 관측되었다.
d) All of the above.
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[퀴즈] Week 2 Quiz 1
Supermassive black holes: test your understanding
초거대 블랙홀의 이해
Quiz, 5 questions
5문제
Question 1:
Why would an 'isolated' black hole be very difficult to detect? (d)
독립된 블랙홀을 발견하기 어려운 이유는 무엇인가?
a) It would not be rotating rapidly.
빠르게 회전하지 않기 때문이다
b) There would be very few stars behind it whose light was blocked by the hole.
블랙홀에 의해 별들의 빛이 차단되기 때문에 그뒤에 놓인 별을 찾아볼 수 없기 때문이다.
c) There would be no light source nearby.
근처에 광원이 없을 것이다.
d) Very little matter would be falling on to it.
블랙홀 안으로 빨려들어가는 물질이 거의 없기 때문이다.
* 빛조차 빨아들이는 블랙홀을 직접 관측하기는 불가능하다. 적외선, 전파 방출, X-선 파장대의 관측을 통해 얻은 은하 중심의 활동을 물리학적으로 설명하려면 거대 블랙홀이 존재해야 한다. 은하중심이 아닌 '독립된' 블랙홀이 발견되기 어려운 이유는 빨려들어가는 물질이 주변에 없기 때문에 이런 관측이 불가능 하기 때문이다.
Question 2:
Why do the galaxies hosting most AGN look relatively normal in visible light? (a)
중심에 AGN을 보유한 은하들이 가시광 영역에서 관측되는 이뉴는 무엇인가?
a) The mass of the central black hole is small compared to the entire galaxy.
은하중심부의 거대 블랙홀의 질량이 은하 전체의 질량에 비해 작다.
b) Most AGN have 'turned on' relatively recently.
대부분 AGN이 비교적 최근에 활동을 시작 했다.
c) The AGN ejects most of its matter from the galaxy via jets, leaving the galaxy undisturbed.
AGN이 은하를 평온하게 유지하며 제트분출을 통해 은하의 물질의 대부분을 방출한다.
d) The AGN are slowly consuming the galaxy, but most haven't yet had time to accerte enough matter to make a difference.
AGN이 천천히 은하를 빨아들이고 있는 중이다. 하지만 질량을 가질 만큼 충분한 시간이 지나지 않았다.
* 빛조차 빨아들일 만큼 거대하게 성장한 활동성 블랙홀이 중심에 존재하는 은하는 가시광에서 관측되지 않을 것이다. 하지만 전파 관측으로 약 10% 가량의 은하가 블랙홀을 보유한 것으로 관측되었다. 중심에 거대 블랙홀이 존재하는 은하가 관측되는 이유는 AGN이 은하 전체의 빛을 빨아들일 만큼 거대하게 성장하지 않았기 때문이다.
Question 3:
What are the key features of our model of active galactic nuclei (AGN)? (d)
AGN 모형의 주요 특성은?
a) A supermassive black hole at the centre of a normal spiral galaxy.
대부분 나선은하의 중심에 초거대 블랙홀이 있다.
(10%가량의 은하에 AGN이 존재한다)
b) A gravitational lens intensifying the radiation coming from the central black hole.
중력렌즈가 중심 블랙홀에서 나오는 복사를 돋보이게 한다.
(중력렌즈는 뒷편의 복사를 휘게 만든다.)
c) An accretion disk around a neutron star.
중성자별 주위에 강착원반이 형성되어 있다.
(블랙 홀은 중성자별 보다 훨씬 밀집되어 무겁다. 중성자 별은 모형이 아니다.)
d) A supermassive black hole surrounded by an accretion disk and a dense disk of gas and dust.
초거대 블랙홀이 가스와 먼지로 밀집된 원반과 강착원반이 둘러 쌓여있다.
Question 4:
Why is the material that accretes onto a black hole expected to produce x-rays? d
블랙 홀로 응집하는 물질들이 X-선을 방출하는 이유는 무엇인가?
a) As the material slows down in the hole, it converts thermal energy to x-rays.
물질들이 서서히 블랙 홀로 몰려듬에 따라 열 에너지를 X-선으로 변환한다.
b) Hydrogen nuclei begin to fuse and emit high energy photons.
수소핵이 고에너지 광자들이 방출하도록 도화선이 된다.
c) The material will produce radiation because of the presence of a strong magnetic field.
강력한 자기장이 형성되어 있기 때문에 물질들이 X-선을 방출한다.
(강력한 자기장에서 전자들이 회오리 치며 방출하는 것은 전파다.)
d) The material close to the black hole will become hot enough to emit strongly at x-ray wavelengths.
블랙 홀 가까이에 있는 물질들이 충분히 가열되어 강력하게 x-선 파장을 방출한다.
Question 5:
Which of the following is evidence for a supermassive black hole in an active galaxy? (d)
활동성 은하의 중심에 초거대 블랙홀이 존재한다는 근거로 맞는 것은 무엇인가?
a) Powerful jets coming from a compact core.
조밀한 중심에서 강력한 제트 분출이 있다.
b) Rapid changes in the luminosity of the galaxy nucleus.
은하 핵에서 광도의 활발한 움직임이 관측된다.
c) Very high speed orbital motions of stars in the galactic nucleus.
은하 핵 인근의 별들이 매우 높은 속도로 궤도운동(공전)하는 것이 관측되었다.
d) All of the above.
위에 언급한 사항 전부
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[추가2] Time-Lapse of Supermassive Black Hole Sagittarius A*
[추가3]Andrea Ghez, The hunt for a supermassive black hole[TED Global]
