Supermassive black holes are the largest mass black holes and are found at the centers of galaxies. Galaxies are large collections of stars ranging from small galaxies consisting of hundreds of millions of stars, up to the largest galaxies which can have upwards of 1 trillion stars.
초거대 질량 블랙홀은 은하의 중심에서 발견된다. 은하는 다양한 규모를 가지는데 백만개에서 1조 개의 별이 모여 있는 집단이다.
Galaxies fall into several categories developed by astronomers based on their shapes. Like spiral galaxies and elliptical galaxies. There are also galaxies that don't fit into the standard classifications. Our classification system has really become a zoo of galaxy types. Among the unusual creatures in the galactic zoo, active galaxies are those which are thought to host a supermassive black hole at their center. Let's visit the zoo.
천문학자들은 외형에 따라 은하의 분류법을 만들었다. 일테면 나선은하와 구형은하 등이다. 어떤 은하는 특이해서 이런 일반적인 은하분류 기준에 맞지 않기도 하다. 분류체계는 실제로 은하를 종류별로 모아 놓은 은하 동물원 이다. 은하 동물원에는 기이한 종도 있는데 활동성은하(active galaxy)로서 중심에 초거대 블랙홀을 품고 있다고 추정된다. 이제 은하 동물원을 살펴보자.
[지구에서 관측된 외형으로 은하를 분류하기는 적절하다고 보기 어렵다. 먼 은하는 판별이 불분명하다. 관측장비의 영향도 크다. 수많은 은하가 관측되고 있어 분류에 인공지능 기법이 활용되기도 한다. 관련강좌: 자료기반 천문학/형태에 따른 은하 분류]
The galaxy NGC 7742 is an example of a Seyfert galaxy. Seyfert galaxies are spiral galaxies, with unusually bright central regions. The properties of the light emitted from the bright cores is not typical of regular star light.
NGC 7742 은하가 세이퍼트 은하의 한 예다. 세이퍼트 은하는 나선 은하로서 중심부가 비정상적으로 밝다. 이 은하의 밝은 중심부에서 방출되는 빛을 분석해보면 일반적인 별에서 나오는 전형적 특성을 벗어난다.
Normally the light from a galaxy is mainly blackbody emission from the stars, as we learned about earlier. But the central regions of Seyfert galaxies also have a bright emission spectrum which indicates extremely hot gas. We will learn what an emission spectrum is in a later module.
별에서 방출되는 빛은 주로 흑체 복사의 특성을 가진다. [별 집단인 은하에서 방출되는 빛은 빛의 양이 많지만 스펙트럼 분석을 통한 온도는 별의 특성을 보인다. 빈 변위 법칙] 하지만 세이퍼트 은하의 중심부를 방출 스펙트럼으로 측정한 온도는 기이하게 높다. 이 방출 스펙트럼에 대해 다음 강의 편에서 배울 것이다.
The first Quasar discovered in 1963, is called 3C 273. In the first pictures taken of the quasar, its features could not be resolved and it looked much like a star. However, the properties of this star seemed very peculiar. So it was called a quasi-stellar object. This name was later shortened to QSO or quasar. Modern images show that the quasar isn't a star but the ultra bright nucleus of a galaxy. In the left picture, the quasar is the very bright point of light in the middle of the box.
첫번째 퀘이사는 1963년에 발견된 3C273 이다. 처음 찍힌 퀘이사의 모습에서 자세한 특징을 판단할 수 없었고 별에 가까운 모습이었다. 하지만 별이라기에는 아주 특이했다. 그래서 '별 같은' 천체라고 했다. 이를 줄여서 퀘이사 혹은 QSO 라고 불리게 됐다. 최근에 촬영된 퀘이사의 모습은 별이 아니라 극도로 밝은 은하의 중심핵으로 판명됐다. 왼편 사진에서 상자속 중심의 퀘이사는 아주 밝은 점이다.
The spikes that are visible are artifacts of how the light is collected by the telescope. You might be able to see faint light from the galaxy surrounding the bright quasar. There is a jet of gas poking down into the right. In order to take a photo on the right, the Hubble Space telescope placed a shield over the bright light which allowed it to take a picture of the galaxy.
사진에서 삐죽 튀어나온 빛은 망원경에 의해 생긴 흔적이다. 밝은 퀘이사를 둘러싼 은하에서 나온 뿌연 빛을 볼 수 있다. [멀리 떨어진 은하다. 중심 은하핵에 별들이 집중적으로 몰려 있어서 마치 한 별처럼 보인다. 주변 별들이 뿌옇게 보인다. ] 오른편으로 가스 분출이 있다. 오른쪽 사진은 허블 우주 망원경으로 찍은 것이다. 은하의 별들을 찍기 위해 중심의 밝은 부분은 일부러 가렸다.
In 1929, astronomers observed a star-like object that they called BL Lacertae or BL Lac for short. This thing also looked like a star through a telescope. But its brightness varied so wildly that it could sometimes be 15 times brighter than it was during the previous month. At the time it was classified as a variable star. But when better telescopes observed BL Lac, evidence for a galaxy could be seen surrounding the bright point of light. Other similar galaxies have since been discovered and they've been called BL Lac objects. Since they seem very similar to the original.
1929년에 천문학자들은 별처럼 보이는 천체를 관측하였는데 BL 라써테(Lacertae), 줄여서 BL Lac 라고 불렀다. 이 천체도 망원경으로 보면 그저 한 별로 보인다. 하지만 밝기가 급격히 변하는데 한 달 사이에 열다섯 배 차이가 났다. 그 당시 그 대상은 변광성으로 분류됐다. 하지만 더 좋은 망원경으로 BL Lac을 관측해 보고 둘러싸고 있는 빛나는 점들로 봐서 은하의 증거일 거라고 생각했다. 이와 비슷한 은하들이 관측 됐는데 겉으로 보기에 모두 같은 종류 같았기 때문에 이들을 BL Lac 대상이라 불렀다.
More recently, astronomers have been calling these galaxies BLAZARS. When Blazars are imaged, we find them at the center of elliptical galaxies. Galaxies are made up of lots of stars. So we expect the light from a galaxy to look like the light from stars. Stars emit most of their light in the ultraviolet, visible, and infrared parts of the electromagnetic spectrum. One thing that stars do not emit significant amounts of are radio waves. That means that normally we would not detect much radio wave emission from galaxies. However, a small fraction of galaxies emit lots of radio waves. We call these galaxies radio galaxies.
오늘날의 천문학자들은 이런 은하들을 BLAZARS 라고 한다. 블라자스의 사진을 보면 타원형 은하의 중심에 뭔가 있다는 것을 알 수 있다. 은하는 수많은 별이 모여있다. 이 은하에서 나온 빛은 별에서 나왔을 것이다. 별이 방출하는 빛의 대부분은 자외선, 가시광선, 그리고 적외선 등으로 전자기파 스펙트럼의 일부다. 별은 전파를 많이 방출하지 않는다. 이는 일반적인 은하를 관측해 보면 전파가 많이 검출되지 않는다는 뜻이기도 하다. 하지만 은하 중 아주 일부는 전파를 많이 방출한다. 이런 은하를 전파은하(radio galaxy)라고 한다.
Most radio galaxies are also giant elliptical galaxies. Active galaxies that are part of this zoo, share many similar properties. Typically they have a bright central object called an Active Galactic Nucleus or AGN, which is surrounded by the fainter stars that make up the spiral or elliptical galaxy.
대부분 전파은하는 거대한 타원형 은하다. 은하 분류상 활동성 은하에 속하는 이 부류는 여러가지 공통된 특징을 가지고 있다. 전형적인 특징으로는 어두운 별들로 나선팔 혹은 타원은하를 이루고 둘러싸인 중심부에 활동성 은하핵(AGN)을 가진다는 점이다.
Have a look at this diagram which represents a unified model for all of these active galaxies. The unified model for an active galactic nucleus has a supermassive black hole at its center, surrounded by a disc of gas that orbits the black hole and emits lots of energy. In some cases there is a jet of gas shooting out from the central object. We will learn more about discs and jets in a later module.
이 그림은 이런 활동성 은하류의 모든 특성을 보여주는 모형이다. 이 통합된 활동성 은하핵 모형은 중심의 초거대 블랙홀이 가스 원반으로 둘러쌓인 모습으로 엄청난 에너지를 내뿜고 있다. 중심부의 천체에서 가스를 분출하는 경우도 있다. 이 원반과 가스 불출에 대하여 다른 강의편에서 다룰 것이다.
The model predicts that when you look directly down the jet you see a blazar. If you look at the jet from an angle so that you can also see into the accretion disk, then you see a radio loud quasar.
이 모형을 여러 각도에서 살펴 보자. 분출의 바로 아래서 블라자의 모습을 보게 된다. 가스가 분출되는 모습을 볼 수 있는 각도(분출 기둥 옆면)에서 보면 강착 원반을 볼 수 있다. 아울러 강력한 전파원 퀘이사를 보게 된다. [공간 기하학적인 모습을 가지고 있다.]
If you're looking at the edge of the disc so that the inner part of the accretion disc is blocked, you will see a radio galaxy. If there's no jet then there will be very little radio emission and you'll see a Seyfert galaxy. Which is also something that could be called a radio quiet quasar. So, the difference in the names you call a supermassive black hole really just depend on your point of view.
원반의 측면에서 보면 강착 원반 안쪽 부분이 가려져 있어 전파 은하로 관측된다. 분출이 없이 아주 미약한 전파 방출이 관측 되어 (중심부 온도가 기이하게 높은 나선은하) 세이퍼트 은하로 보일 것이다. 이 은하는 미약 전파원 퀘이사로 분류 되기도 한다. 따라서 어떤 이름으로 불리든 초거대 블랙홀의 확인은 보는 방향에 달렸다.
One thing in common with all the active galaxies is that the supermassive black hole at the center is consuming lots of gas enough to power their energy output. The active galaxies are feeding their black holes, which allows the black holes to grow. The supermassive black holes may have started out as large stellar mass or intermediate mass black holes many billions of years ago and grew over time. On the other hand, sometimes there's evidence for supermassive black holes which aren't being fed tremendous amounts of gas, like a supermassive black hole at the core of our own galaxy. These black holes are quiet and much harder to detect.
모든 활동성 은하의 한 가지 공통점은 중심부에 초거대 질량 블랙홀을 품고 있다는 점이다. 이 초거대 블랙홀은 위력(energy output, 은하 전체를 끌어 모으는 중력)을 얻기 위해 엄청난 양의 가스를 흡입하는 한다. 활동성 은하는 블랙홀이 성장하도록 여전히 [재료들을] 공급하는 중이다. 초거대 블랙홀도 수십억년 전부터 대형 항성급 블랙홀 혹은 중간급 블랙홀로 시작했다가 시간이 흐르며 성장했을 것이다. 한편, 우리은하 중심의 초거대 블랙홀 처럼 엄청난 양의 가스를 빨아들이지 않고 있는 초거대 블랙홀에 대한 단서도 있다. 이런 블랙홀은 조용하여 관측하기 어렵다. [은하를 끌어안을 만큼 강력한 초거대 블랙홀은 맹렬히 몸집을 불린다. 간혹 초거대 블랙홀이면서 활동이 왕성하지 않은 경우도 있다.]
So, just how massive are these supermassive black holes? Although we can't put a black hole on a scale to figure out how much it weighs, we can still measure its mass. Kepler's laws of orbital motion apply to planets, stars, and black holes. If we can find a star orbiting a black hole at the center of a galaxy, then we can determine its mass. The best example is the black hole known as Sagittarius A Star or SGR A star, located at the center of our galaxy. It is possible for astronomers to observe stars orbiting in the region within a few light years of the center of our galaxy.
그렇다면 이런 초거대 블랙홀은 얼마나 무거울까? 우리가 직접 블랙홀의 무게를 저울로 재볼 수 없으나 질량을 알아내 방도가 있다. 케플러의 궤도 운동법칙은 행성, 별 그리고 블랙홀에도 적용된다. 은하 중심에 있는 블랙홀의 궤도를 도는 별을 발견할 수 있다면 우리는 그 질량을 추정해 낼 수 있다. 그 좋은 예는 궁수자리(Sagittarius) A 별, 줄여서 SGR A로 불리 별로서 우리은하 중심부에 위치한다. 천문학자들이 우리은하 중심에서 수 광년 이내의 영역에서 궤도운동을 하는 별을 관측할 수 있다. [궁수자리 A별은 우리은하 중심의 강력한 전파원으로 블랙홀로 추정되고 있다.]
Astronomers have tracked the orbits of these stars for more than 20 years, which can be seen in this video. In this video, the center of our galaxy is marked with the star symbol and the colored circles mark the position of the false coloured stars.
천문학자들이 이 별들의 궤도를 20년 넘게 추적해 이 동영상을 만들었다. 이 영상에서 별표된 점이 우리은하 중심이다. 별과 궤도원이 가상으로 색칠 되었다.
Over the years, the stars' paths trace out ellipses. Watch the star labelled SO2. This star and the others moves faster when it is closer to the black hole and slower when it is further out. Just as required by Kepler's equal areas law. The stars in this video orbit the invisible point at the center of the galaxy in a manner similar to how the planets orbit our sun. We can use Kepler's third law of motion to compute the mass of the invisible object located at the star symbol. The astronomers who measured the mass had to take into account the three dimensional nature of the orbits of the stars.
수년간 별의 경로를 추적해 타원궤도를 그려냈다. SO2 라고 표시된 별을 주의깊게 살펴보자. 이별을 포함해다른 별들이 블랙홀 가까이 가면서 빨라졌다 멀어진다. 케플러의 등면적 법칙을 적용할 수 있다. 동영상에서 이 별들은 은하중심의 보이지 않는 한점을 마치 행성들이 태양을 중심으로 공전하듯이 궤도를 그리고 있다. 케플레 제3법칙을 적용하여 별표된 위치의 보이지 않는 천체의 질량을 계산해 낼 수 있다. 이 질량을 측정한 천문학자들은 [관측된] 별들의 궤도가 3차원이라는 점을 감안해야 했다. [이심율이 심한 타원형 공전궤도는 측면에서 관측한 것으로 판단했다.]
The star SO2 takes 15.9 Years to make one full orbit. When a star travels on an elliptical orbit, the distance a, that appears in Kepler's law, is equal to half of the length of the long axis of the ellipse. In the case of SO2 the value of a is 1000 astronomical units. Keplers third law for Sagittarius A Star is, mass of SGR A Star plus massive SO2 equals A cubed divided by P squared equals 1000 cubed divided by 15.9 squared equals 4 million solar masses.
그리하여 얻은 SO2 별의 공전주기는 15.9년 이다. 별이 도는 타원궤도에서 케플러 법칙에 나오는 거리 a는 타원의 장축 거리의 절반이 됨을 알았다. SO2의 경우 거리 a 는 1,000 천문단위다. 케플러 제3법칙에 따라 궁수자리 A별과 무거운 SO2의 질량을 합한 무게는 a의 세제곱 나누기 주기 P의 제곱이므로, 1000의 세제곱 나누기 15.9의 제곱으로 결과는 태양 질량의 4백만배다.
The mass of SO2 is tiny compared to the mass of Sagittarius A Star. So, we can approximate this as mass of SGR A star equals 4 million solar masses. If you compare the distance between SGR A star and the orbiting star to our own solar system, a thousand astronomical units would be well beyond the orbit of the planets, extending into the region where comets orbit the sun. The closest star to us, Proxima Centauri, is 200,000 astronomical units distant. So, this is a gigantic mass packed into a tiny volume of space. Whatever is located at the center of our galaxy can't be stars, since we would be able to see them if they were there. A black hole is the only plausible way to get such a large mass into a tiny volume.
SO2의 질량은 궁수자리 A에 비해 아주작다. 따라서 이 태양의 4백만배를 SGR A의 질량이라고 할 수 있다. SGR A와 공전 중인 별의 거리를 우리 태양계의 규모에 비교하면 천배의 천문단위는 혜성의 궤도까지 태양계의 행성을 모두 포함하는 정도다. 우리로부터 가장 가까운 별인 프록시마 센토리까지 거리는 2십만 천문단위다. 따라서 엄청난 질량체가 아주작은 공간에 묶여 있는 셈이다. 우리 은하의 중심에 무엇이 놓였든 그것은 별일 수는 없다. 무엇인가 거기에 있지만 우리는 그 것이 무엇인지 볼 수는 없을 것이다. 아주 작은 공간에 그 처럼 거대한 질량을 가지고 존재하려면 블랙홀 말고는 설명되지 않는다.
Our galaxy's supermassive black hole is actually considered a small fry in the heavyweight division compared to other galaxies' central massive black holes. The giant elliptical galaxy M87 has a black hole at its center that is approximately 7 billion solar masses.
우리은하의 초거대 블랙홀은 사실 다른 은하의 중심에 있는 헤비급에 비하면 초경량 프라이 급에 불과하다. 거대 타원은하인 M87도 중심에 블랙홀이 있는데 대략 태양 질량의 7십억배에 이른다.
You may have heard that galaxies have dark matter and may be wondering whether the supermassive black holes could be the mysterious dark matter. There are many reasons why supermassive black holes are not galactic dark matter. The most important thing to know is that the mass of a supermassive black hole is just a tiny fraction of the mass of the galaxy that it lives inside. In addition, supermassive black holes are found at the center of a galaxy. The dark matter in galaxies has a mass that is larger than the mass of all the stars in the galaxy and is spread out throughout the whole galaxy in a giant sphere that surrounds the galaxy.
아마 은하계에 존재하는 암흑물질에 대해 들어 봤을 것이다. 블랙홀이 이 신비한 암흑물질이이 아닐까라고 생각될지도 모르겠다. 하지만 어마어마한 암흑 물질이 블랙홀이 아닌 이유는 많다. 무엇보다도 제아무리 초거대 블랙홀이라도 은하전체 무게에 비하면 아주 작은 분량에 불과하다. 게다가 초거대 블랙홀은 은하의 중심에서 찾아볼 수 있다. 암흑물질은 은하계 내의 모든 별들의 질량을 합한 것보다 무겁고 은하계를 둘러싼 전체 영역에 고르게 퍼져 있다. [큰 규모의 은하계에 존재하는 별의 갯수는 대략 10의 20승 개를 넘는다. 10억의 10억 개다. 우리은하는 비교적 작은 규모로 질량은 암흑물질을 합쳐 10의 12승 태양 질량에 이른다.]
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How do supermassive black holes form?
Interview with Dr. Daryl Haggard, Professor at McGill University
Supermassive black holes are the kind that have a million to a billion times the mass of our sun. So, these are the really massive galaxies. We think there's one in the center of pretty much every big galaxy, like the Milky Way and bigger ones and smaller ones. So, supermassive black holes, when they have a lot of stuff when they're growing, when they're actively feeding, and have a lot of stuff flowing in through an accretion disk onto the black hole, and that stuff, as it falls towards the black hole, gets hot, super hot to the point where it emits that really high energies of X-rays and gamma rays.
These hot accretion disks are so bright. So, just to say that again, this is mass outside the event horizon so it's still able to let photons out. So, it's bright. It's not stuck inside where the photons can't get out. But it's all this mass that's swirling around the outside of the event horizon of the black hole. It gets so hot and so bright that we can see these objects all the way out to the edges of the observable universe. So, we can see them out at redshifts of seven or eight. This is way back when the universe was really young.
We study that radiation from the hot, the heat, and the photons coming off of this material as it tries to flow in towards the black hole. We can see that the mass at the center is already enormous, it's already millions or billions of times the mass of the sun. So, the mystery for supermassive black hole scientists is how did you get something that massive so early on in the life of the universe.
It means, you had to get all that mass down into a black hole at very early times. So, one way you can make black holes smaller kinds of you explode stars and the stars collapse back down, and can give you a black hole. But those black holes are only maybe 10 or 30 times the mass of the Sun. So, if you want to build up take building blocks of 30 solar mass things, and build up to a million solar masses or a billion solar masses, you'd need a billion or a million of those objects to crash together in LIGO-like mergers.
We don't think that's very likely, that would be a whole lot of stars exploding. We would see all these starbursts all over the edges of the universe. Or you could just force mass in there really fast. But it's basically... It's hard we don't have a good physical model for how you can get so much mass into a black hole so early in the life of the universe. So, that's a mystery I would really love to work on more, to think about the formation of black holes in the very early universe, and then how they evolve as we move toward the present day.
We're only now just getting a new generation of space telescopes that can allow us to probe black hole growth, way at those very early times. It's hard work. It's very finicky, the galaxies they live in are small and sometimes this bright hot gas around the black hole, just sort of out shines everything else. It's really hard to see the environment, and to understand what the building blocks were that gave you that supermassive thing just really fast. They basically grew really fast, and we don't know how they could possibly grow that fast.
