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- 초거대질량 블랙홀의 전체 자기장은 몇 달 만에 방향이 180도 바뀌었다.
- 극성 반전이 정점에 이르면 블랙홀의 자기장이 완전히 붕괴돼 전파 방출을 위한 "엔진"도 정지된다.

블랙홀의 극 반전
천문학자들은 자기장이 뒤집힐 때 활성 은하핵을 관찰했다.

천문학자들은 극 반전 동안 활성 블랙홀을 처음으로 관찰했을 수 있다. 초거대질량 블랙홀의 전체 자기장은 몇 달 만에 방향이 180도 바뀌었다. 이 역전의 증거는 활성 은하핵의 밝기가 100배나 증가하고 에너지가 넘치는 X선에서 신비한 일시 정지가 있다는 것이다. 

▲ 은하 1ES 1927+654의 중심에 있는 활동적인 초대질량 블랙홀이 자기장을 역전시켰다. © NASA/Sonoma State University, Aurore Simonnet

우리 은하 중심에 있는 초거대질량 블랙홀은 현재 눈에 띄지 않고 비활성 상태이지만 활성 은하핵의 경우에는 다르다. 이 블랙홀은 많은 양의 물질을 흡수하기 때문에 빠르게 회전하는 뜨거운 플라즈마 강착 원반으로 둘러싸여 있다. 강한 방사선을 방출한다. 이벤트 호라이즌 망원경의 관측에 따르면 하전 입자의 빠른 움직임은 발전기처럼 작용하고 지금까지 알려진 강력한 자기장을 생성한다.

신비스럽게 밝기 증가

공동 저자인 JILA(Joint Institute for Laboratory Astrophysics)의 Nicolas Scepi는 "우리는 일반적으로 이러한 블랙홀이 수백만 년에 걸쳐 진화할 것으로 예상한다"라고 설명했다. 더 많은 물질을 빨아들일 때 항상 더 짧은 복사 폭발이 있지만, 그러한 은하 중심의 복사 방출은 더 큰 규모에서 천천히 변할 뿐이다.

약 2억 3600만 광년 떨어져 있는 은하 1ES 1927+65의 중심에 있는 초거대질량 블랙홀의 행동은 더욱 놀랍다. 2017년 12월, 이미 활성화된 중심은 가시광선과 자외선을 점점 더 많이 방출하기 시작했다. 2018년 3월까지 밝기가 약 100배 증가했다. 그 당시 천문학자들은 처음에 이것이 블랙홀에 의해 별이 파열되는 이른바 조석 붕괴 현상일 수 있다고 의심했다.

엑스레이 방사선이 사진에 맞지 않아

이상하게도 자외선과 가시광선은 증가하는 반면 블랙홀의 고에너지 X선은 계속 약해졌다.
NASA 고다드 우주비행센터의 제1저자인 시바시 라하(Sibasish Laha)는 "X선이 완전히 사라지고 다른 파장은 증가하는 것은 이번이 처음"이라고 말했다. 2018년 가을이 되어서야 활성 은하핵이 점차 정상화되기 시작했다. 그 밝기는 다시 감소하고 그에 대한 X선 복사는 증가했다.

원인은 무엇이었을까?
이를 확인하기 위해 Laha와 그의 팀은 이벤트 전후에 1ES 1927+65에 대해 사용 가능한 모든 관측 데이터를 다시 한번 평가했으며 X선 및 무선 범위에서 새로운 관측도 수행했다. 전체적으로 천문학자들은 7개의 망원경과 모든 파장에서 블랙홀의 변화를 재구성할 수 있었다. 이것은 무엇보다도 X선 방출과 함께 활동하는 은하핵의 전파 방출도 이벤트 기간 동안 감소했음을 보여주었다.

별 죽음 대신 자기장 반전

Laha와 동료는 함께 은하 1ES 1927+65에서 일어난 일에 대한 강력한 증거를 제공했다. 초거대질량 블랙홀이 자기장 역전을 겪었다. 공동 저자인 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)의 미첼 베겔만(Mitchell Begelman)은 "북극이 남극이 되는 자기 극성 반전이 관측에 대한 가장 좋은 설명으로 보인다"고 말했다.

천문학자들은 이것이 실제로 어떻게 발생하는지 설명했다. "자기장은 먼저 강착 원반의 외부에서 약해진다"라고 Begelmann은 말한다. "이로 인해 더 많은 열이 발생하고 가시광선과 자외선의 방출이 증가한다." 약 3개월 동안 자기 강도도 안쪽으로 더 감소하고 마침내 블랙홀의 코로나가 붕괴될 정도로 떨어진다. 이것은 X선 복사를 다당하는 뜨거운 에너지 입자로 구성된 구름이다.

극성 반전이 정점에 이르면 블랙홀의 자기장이 완전히 붕괴돼 전파 방출을 위한 "엔진"도 정지된다. 잠시 후 자기장이 역극성으로 재생되기 시작하고 시간이 지나면 강도가 다시 X선과 라디오 방사선이 다시 증가할 만큼 충분히 높아진다.

유일한 사례가 아님

천문학자들에 따르면, 1ES 1927+65의 폭발적인 밝기는 블랙홀에서 극 반전의 첫 번째 관측일 뿐만 아니라 아마도 우주에서 고립된 경우도 아닐 것이다. 모델들은 그러한 자기장 반전이 활성 블랙홀에서 발생한다고 오랫동안 예측해 왔다. 1ES 1927+65에서의 극성 반전은 이것을 확인하고 동시에 초대질량 블랙홀도 빠르고 역동적인 변화를 겪을 수 있음을 강조한다.

Begelmann은 "이 한 사례에서 이것을 봤다면 다른 곳에서도 분명히 다시 관찰할 것이다. 이제 우리는 무엇을 찾아야 하는지 알게 되었다"라고 말했다.
(The Astrophysical Journal, 승인됨, arXiv:2203.07446)
출처: University of Colorado Boulder

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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