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이번 포스팅에서는 퀘이사에 대해 자세히 알아보고 퀘이사의 천체활동은 어떻게 이루어지는가에 대해서 알아보겠습니다. 목차는 천체 퀘이사는 어떻게 발견되었는가, 역동적인 활동을 하고 있는 퀘이사는 무엇인가, 퀘이사가 강한 복사를 방출할 수 있었던 방법입니다.
이상한 천체 퀘이사는 어떻게 발견되었는가
1963년 2월 마틴 슈미트와 전파천문학자 일행은 3C273이라는 강력한 전파원이 달에 의해 차단되는 순간을 관측하고 있었습니다. 당시 천체는 별에서 가장 풍부한 원소인 수소의 스펙트럼선이 없는 특이한 별이라고 생각했지만, 당시 관측 기술에 오류가 있었기 때문에 전파가 달에 의해 끊기는 순간을 이용해 정확한 전파원의 위치를 찾으려 했습니다. 이렇게 해서 천문학에서는 갑자기 이상한 천체의 퀘이사가 이슈가 되었습니다.
나중에 그 천체가 수소선이 없는 것이 아니라 전혀 다른 위치에 있다는 것을 알게 되었습니다. 가시광선은 적외선 영역으로, 자외선은 가시광선 영역으로 이동했습니다. 이러한 스펙트럼선의 움직임은 다른 별들과는 비교할 수 없을 정도로 엄청난 적색이동이 있었다는 것을 의미합니다. 이것은 우주의 팽창 때문입니다.
붉은 운동의 크기로 따지면 그 거리는 20억 광년에 해당합니다. 그렇게 멀리 떨어져 있는데도 그렇게 밝게 보이려면 광학 영역의 밝기가 우리 은하의 1000배일 것입니다. 이 천체의 복사 주기는 불과 몇 주밖에 되지 않을 정도로 매우 빨리 변합니다. 천체 전체에 이런 급격한 변화가 일어나려면 천체의 크기가 몇 주 정도로 작아야 합니다. 이 정도 크기면 태양계보다 조금 더 클 뿐입니다. 이 현상은 1960년대에 이미 발견되어 푸른 별로 분류된 3C48에서도 관찰되었습니다. 그 이후로 우주에는 이런 천체들이 많이 있다고 알려져 왔습니다. 그것들은 모두 매우 심한 적색 이동을 보여 멀리 떨어져 있다는 것을 나타냅니다. 그것들은 별처럼 보이면서 강한 전파를 방출하기 때문에 준별 전파자라고 불렸습니다. 그러나 그것들이 모두 전파의 근원이 아니기 때문에 공식적으로 준별로 명명되지만 계속해서 퀘이사라고 불립니다.
엄청나게 역동적인 활동을 하고 있는 퀘이사는 무엇인가?
퀘이사의 특이한 특징은 천체가 아주 멀리 떨어져 있다는 사실에서 비롯됩니다. 그 적색편이는 Z = 2에서 3 사이에 몰려 있습니다. 이는 우주의 빅뱅이 처음 일어난 지 약 20억 년 후에 퀘이사가 생성되었다는 것을 의미합니다. 그 스펙트럼을 보면 매우 활동적인 핵을 가진 세이퍼트 타입 I 은하와 비슷합니다.
Seifert type 1 은하는 진화된 퀘이사로 볼 수 있습니다. 그리고 Seifert type 2 은하는 중심 활동이 약간 약한 은하로 진화에 조금 뒤처진 은하로 보입니다. 최근 관측 정밀도가 향상되면서 퀘이사 주변의 은하 구조가 발견되었습니다. 이것은 퀘이사의 집합으로 생각됩니다. 강한 전파 방출 퀘이사의 경우 타원 은하로 보이고, 전파력이 약한 퀘이사의 경우 나선 은하로 보입니다. 따라서 퀘이사의 활동은하보다 더 큰 폭발을 일으키는 것은 은하의 핵으로 생각됩니다. 세이퍼트 은하와 퀘이사는 멀리 떨어져 있기 때문에 우주에 계속 존재하는 것이 아니라 서로 다른 진화의 단계에 있는 은하처럼 보입니다. 즉, 하나의 은하가 세이퍼트 1에서 세이퍼트 2로 진화하는 것처럼 보입니다.
퀘이사가 강한 복사를 방출할 수 있었던 방법
천문학자들은 퀘이사의 중심에 블랙홀이 존재할 것으로 추정합니다. 가스나 물질이 블랙홀로 빨려 들어가면서 방출되는 에너지는 아인슈타인의 방정식 E=mc 제곱에 따라 물질이 에너지로 완전히 변환되는 효율을 갖습니다. 물질이 블랙홀로 빨려 들어가면 싱크로트론 복사가 방출됩니다. 이는 퀘이사의 엄청난 에너지를 설명할 수 있는데, 별 내부에서 일어나는 핵융합보다 1,000배나 더 큽니다. 다른 여러 상황에서도 퀘이사의 중심에는 블랙홀이 존재할 것으로 추정됩니다. 중심 블랙홀의 질량은 태양의 1억~1조 배 정도로 추정됩니다.
결론적으로 퀘이사는 우주 초기에 막 생성된 거대한 블랙홀을 가진 은하의 핵심이라고 생각합니다. 우리는 은하가 생성된 초기 우주를 보고 있습니다. 최근에는 빅뱅 이후 10억 년도 채 지나지 않은 우주 탄생 초기의 퀘이사도 발견되었습니다. 우리는 은하가 생성된 초기 우주를 보고 있습니다. 이처럼 퀘이사는 매우 멀리 떨어져 있고 매우 밝아서 초기 우주 연구에 매우 중요한 천체입니다.