천문학자들이 우주의 "사우론의 눈" 내부에 숨겨진 엔진을 발견했습니다.

초장기선 배열(VLBA) 전파 망원경으로 블레이저 PKS 1424+240의 플라스마 제트 원뿔 내부를 관찰한 모습. 사진 제공: NSF/AUI/NRAO/B. Saxton/YY Kovalev 외

활동적인 은하의 목을 들여다보면 극심한 감마선과 중성미자를 설명할 수 있는 고리 모양의 자기장이 드러납니다.

핵심 포인트

• 활동적인 은하의 중심부를 들여다보다: 천문학자들이 우주 제트의 기원을 담은 사진을 포착했습니다. 이 사진과 인공적인 색깔은 사우론의 눈을 연상시킵니다.
• 중성미자의 기원에 대한 의문: PKS 1424240은 동종 중 가장 밝은 중성미자 방출 천체입니다. 그러나 농축된 질량 흐름은 중성미자 방출을 설명하기에는 너무 느립니다.
• 나선형 자기장이 입자를 가속합니다. 초장기선 배열(Very Long Baseline Array)을 이용한 15년간의 정밀 관측을 통해 제트의 기원에 대한 상세한 분석이 가능해졌습니다. 전파 이미지는 고리 모양의 자기장을 보여주기 때문에 이 문제를 해결할 수 있습니다. 이 자기장은 스프링처럼 작용하여 입자를 고에너지로 가속할 수 있는 환경입니다. 이는 중성미자와 고에너지 감마선의 존재를 설명합니다.

수십억 광년 떨어진 곳에 위치한 블레이자 PKS 1424+240은 오랫동안 천문학자들을 당혹스럽게 했습니다. 아이스큐브 중성미자 관측소(IceCube Neutrino Observatory)에서 확인된 이 블레이자 천체는 하늘에서 가장 밝은 중성미자 방출 블레이자였으며, 지상 체렌코프 망원경에서 관측된 매우 고에너지 감마선에서도 빛을 발하고 있었습니다. 그러나 이상하게도, 전파 제트는 느리게 움직이는 것처럼 보였는데, 이는 가장 빠른 제트만이 이처럼 강렬한 고에너지 방출을 일으킬 수 있다는 예상과 상반되었습니다.

이제 초장기선 배열(VLBA)을 통한 15년간의 초정밀 전파 관측 덕분에 연구자들은 이 제트의 깊은 이미지를 비교할 수 없는 해상도로 합성할 수 있었습니다.

"이미지를 재구성해 보니 정말 놀라웠습니다." 이 연구의 주저자이자 막스 플랑크 전파천문학 연구소(MPIfR)의 ERC 지원 MuSES 프로젝트 책임 연구원인 유리 코발레프는 이렇게 말합니다. "이와 같은 모습은 본 적이 없습니다. 제트를 동반한 거의 완벽한 토로이드 자기장이 우리를 향해 똑바로 향하고 있었죠."

제트가 지구 방향과 거의 정확히 일치하기 때문에, 특수 상대성 이론의 효과로 인해 고에너지 방출이 극적으로 증폭됩니다. MPIfR의 공동 저자인 잭 리빙스턴은 "이러한 정렬은 밝기를 30배 이상 증가시킵니다."라고 설명합니다. "동시에 제트는 투사 효과로 인해 느리게 움직이는 것처럼 보이는데, 이는 고전적인 착시 현상입니다."

이러한 정면 구조 덕분에 과학자들은 블레이자 제트의 중심부를 직접 들여다볼 수 있었는데, 이는 매우 드문 기회였습니다. 편광된 전파 신호를 이용하여 연구팀은 제트의 자기장 구조를 파악하여 나선형 또는 토로이드 형태일 가능성이 있음을 밝혀냈습니다. 이 구조는 플라즈마 흐름을 발사하고 조준하는 데 중요한 역할을 하며, 입자를 극한 에너지로 가속하는 데 필수적일 수 있습니다.

코발레프는 "이 퍼즐을 풀면 초대질량 블랙홀을 가진 활성 은하핵이 전자뿐만 아니라 양성자, 즉 관찰된 고에너지 중성미자의 근원을 강력하게 가속한다는 것이 확인됩니다."라고 결론지었습니다.

이 발견은 수십 년간 초장기선 간섭계(VLBA)를 이용하여 활동 은하의 상대론적 제트를 관측해 온 모하비(MOJAVE) 프로그램의 승리입니다. 과학자들은 초장기선 간섭계(VLBI) 기술을 활용하는데, 이 기술은 전 세계의 전파 망원경을 연결하여 지구 크기의 가상 망원경을 형성합니다. 이는 천문학에서 가능한 가장 높은 해상도를 제공하여 멀리 떨어진 우주 제트의 미세한 부분까지 연구할 수 있게 해줍니다.

"MOJAVE를 시작했을 때, 먼 블랙홀 제트와 우주 중성미자를 직접 연결한다는 아이디어는 공상과학처럼 느껴졌습니다. 하지만 오늘 우리의 관측을 통해 그것이 현실이 되고 있습니다."라고 MPIfR의 이사이자 이 프로그램의 공동 설립자인 안톤 젠수스는 말합니다.

이 결과는 상대론적 제트, 고에너지 중성미자, 그리고 우주 가속기 형성에 있어서 자기장의 역할 사이의 연관성을 강화해 주었으며, 다중 메신저 천문학에 있어서 이정표를 세웠습니다.

배경 정보

블레이저 는 초거대 블랙홀에 의해 구동되는 일종의 활동 은하핵으로, 거의 빛의 속도로 움직이는 플라즈마 제트를 방출합니다. 블레이저를 특별하게 만드는 것은 그 방향입니다. 제트 중 하나는 지구에서 약 10도 이내를 향하고 있습니다. 이러한 정렬 덕분에 블레이저는 전자기 스펙트럼 전체에서 밝게 보이고, 과학자들은 인공 가속기에서 달성할 수 있는 에너지보다 훨씬 높은 에너지로 입자가 가속되는 등 극한의 물리적 과정을 연구할 수 있습니다.

VLBA (초장기선 간섭계)는 미국 본토와 하와이, 세인트크로이 섬에 걸쳐 10개의 안테나로 구성된 배열로, 초장기선 간섭계(VLBI) 모드로 작동합니다. 안테나 간 간격은 최대 약 1만 킬로미터까지 다양하며, 50마이크로초각(μsec)의 미세한 각 분해능을 제공합니다.

MOJAVE (VLBA 실험을 통한 활성 은하핵 제트 모니터링)는 북반구 하늘에서 관측 가능한 활성 은하와 관련된 제트의 전파 밝기와 편광 변화를 모니터링하는 장기 프로그램입니다. 초장기선 배열(VLBA)을 이용하여 관측을 수행하며, 이를 통해 1밀리초각(달에 있는 우주인이 보는 자동차 헤드라이트의 겉보기 간격)보다 뛰어난 각 분해능으로 완전한 편광 이미지를 얻을 수 있습니다. 이 데이터를 활용하여 활성 은하핵에서 제트가 발생하는 지점 근처에서 광년 단위의 제트의 복잡한 진화 및 자기장 구조를 더 잘 이해하고, 이러한 활동이 고에너지 전자기파 및 중성미자 방출과 어떻게 연관되는지를 규명하고 있습니다.

MuSES (Multi-messenger Studies of Energetic Sources)는 천체물리학의 선구적인 프로젝트입니다. 이 프로젝트는 우주에서 가장 강력한 입자 가속기 중 하나인 활성 은하핵(Active Galactic Nuclei) 연구에 전념합니다. 이 천체들은 초대질량 블랙홀에 의해 강착된 물질의 중력 에너지를 이용하여 전자기 에너지와 운동 에너지로 변환하여 매우 상대론적인 전자와 양성자를 생성합니다. 양성자의 가속과 중성미자 생성의 관계는 아직 잘 이해되지 않아 연구자들에게 엄청난 도전 과제입니다. MuSES는 다중 메신저 천문학의 최신 발전을 활용하여 이러한 근본적인 질문에 답하고자 합니다.

MuSES 프로젝트는 유럽연합(ERC 보조금 계약 번호 101142396)으로부터 연구비를 지원받았습니다. 그러나 본 논문에 제시된 견해와 의견은 저자의 개인적인 견해일 뿐이며, 유럽연합이나 유럽연구위원회 집행기관(ERCEA)의 견해를 반영하는 것은 아닙니다. 유럽연합이나 연구비 지원 기관은 이에 대해 어떠한 책임도 지지 않습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250818102129.htm