활동은하핵통일모형

활동은하핵통일모형(Unified model of AGNs)은 관측적 특성에 따라 다양하게 분류되는 여러 활동은하핵(AGN)들이 사실은 한 종류의 천체이지만 관측되는 방향에 따라 다양하게 보이게 된다고 설명하는 모형이다. 즉 모든 활동은하핵에서는 초대질량블랙홀 주위에 중력에 의해 유입된 기체들에 의해 부착원반이 형성되고 이 원반에 수직한 방향으로는 빛의 속도에 가깝게 분출되는 상대론적제트(jet)가 있으며, 중심 가까이에는 넓은 선폭 방출선을 내는 영역이 존재하는데 이 천체를 차가운 기체나 먼지들이 도너츠 형태(토러스)로 둘러싸고 있으며 좁은 선폭 방출선을 내는 영역은 토러스 위쪽에 존재한다고 설명한다(그림 1). 관측자의 방향과 상대론적제트 방향이 이루는 각을 시선각이라 할때, 강전파 활동은하핵을 작은 시선각으로 관측할 경우 강전파 퀘이사나 블레이자 같이 점광원으로 관측되고 시선각이 클 경우에는 거대한 전파은하로 관측되며, 약전파 활동은하핵을 작은 시선각으로 관측하면 약전파 퀘이사나 세이퍼트은하로 관측된다는 것이다.

그림 1. 활동은하핵통일모형. 중심의 초대질량블랙홀(검정), 주변의 부착원반(빨간색), 상대론적제트(파란색), 토러스(노란색), 넓은폭방출선영역(분홍색), 좁은폭방출선영역(회색).(출처: 이상성/한국천문학회)

목차

활동은하핵의 중심에서는 가시광과 적외선 연속복사가 관측되고 또한 넓은 선폭을 가진 가시광 방출선과 좁은 선폭을 가진 가시광 방출선, 비열적(non-thermal) 전파 연속복사, 엑스선 연속복사, 엑스선 방출선 등 다양한 전자기 스펙트럼 성분이 관측된다. 활동은하핵모형에서는 가시광 연속복사는 중심부의 부착원반이나 상대론적 제트, 적외선 연속복사는 중심부의 뜨거운 기체나 먼지, 방출선들은 중심에서 약간 떨어진 방출선 영역에서, 비열적 전파 연속복사는 상대론적제트에 의한 싱크로트론이며 엑스선 연속복사 또한 상대론적제트에 의해 방출되며 이 엑스선 연속복사가 원자량이 큰 물질(예를 들어 철)에 형광 방출(fluorescence)되어 엑스선 방출선이 만들어진다고 설명된다.

이와 같은 관측적 특징을 바탕으로 활동은하핵은 다양한 천체로 불려지게 되었는데, 편의상 이들을 크게 두 부류로 나누는 것이 일반적이다. 즉, 상대론적제트가 발달하여 강한 연속 전파 복사를 방출하는 강전파(radio-loud) 활동은하핵과 상대론적제트의 복사가 야주 미약한 약전파(radio-quiet) 활동은하핵이 그것이다. 각 분류의 활동은하핵들은 그 관측적 특징에 따라 다시 세분된다. 대표적인 강전파 활동은하핵은 첫째, 중심부 영역에서 방출되는 강한 가시광 연속복사, 강한 가시광 넓은 폭 방출선, 그리고 강한 가시광 좁은 폭 방출선이 특징적인 강전파 퀘이사, 둘째, BL Lac 천체와 광학적 격변퀘이사(optically violent variable quasar 또는 OVV quasar)의 특징들을 모두 보이는 블레이자(blazar), 마지막으로 전파영역 복사가 가장 발달하여 중심부의 밝은 전파원과 중심으로부터 수 kpc이상 뻗은 큰 규모의 전파원들이 관측되는 전파은하(radio galaxy)이다(그림 2). 또한 약전파 활동은하핵 중 대표적인 세부 분류는 첫째, 강전파 퀘이사의 관측적인 특징 중 상대론적 제트에 의한 특징을 제외한 모든 특징들을 보이는 약전파 퀘이사(radio-quiet quasar), 둘째, 활동은하핵 발견 초기부터 연구된 천체로서 강한 가시광 연속복사를 방출할 뿐만 아니라 강한 방출선도 관측되는 세이퍼트은하(Seyfert galaxy)이다.

그림 2. 전파은하 Cygnus A.(출처: NRAO)

활동은하핵통일모형(Unified model of AGNs)은 이와 같이 다양한 모습으로 관측되는 여러 활동은하핵들이 본래 한 종류의 천체이지만 서로 다른 모습으로 관측된다고 설명한다. 즉, 활동은하핵을 관측하는 관측자의 시선방향이 활동은하핵의 상대론적제트와 이루는 각, 즉 시선각에 따라 이처럼 다양한 특성을 보이게 관측된다고 설명하는 모형이다(그림 3).

그림 3. 활동은하핵통일모형으로 이해할 수 있는 다양한 관측모습. 시선각 90도, 60도, 30도, 4도로 관측되는 활동은하핵의 관측 모습.(출처: 이상성/천문학회)

활동은하핵통일모형에서 일반적인 활동은하핵은 그 중심부에 초대질량블랙홀이 존재하고 그 주변으로 부착원반이 존재하는데(그림 1), 그 규모는 약 수 광일(light day)정도이다. 이 중심영역에서 상대론적인 제트를 따라 약 100 광일정도 떨어진 곳에는 빠르게 운동하는 분자구름들이 존재하는데, 이들이 넓은 폭 방출선 영역들이다. 다시 그 중심영역을 원점으로 지름이 약 100 광일정도 되는 영역에는 도너츠 구조의 비교적 차가운 가스구름(토러스)이 존재한다. 한편, 다시 중심부에서 상대론적제트를 따라 약 1000 광일 정도 떨어진 영역에는 좁은 폭 방출선 영역들이 존재한다. 이 영역에는 밀도가 낮고 느리게 운동하는 분자구름들이 존재하여 넓은 폭 방출선 영역에 비해 그 방출선 폭이 비교적 좁은 방출선을 낸다.

이같은 활동은하핵을 관측자가 정측면(edge on)에서 관측할 경우(예, 그림 1의 시선각 90도) 매우 불투명한 토러스에 의해 중심의 초대질량블랙홀, 부착원반, 그리고 넓은 폭 방출선 영역들이 모두 가리게 된다. 하지만, 토러스의 두께보다 높은 영역에 존재하는 좁은 폭 방출선 영역에서 나오는 좁은 폭 방출선이나 상대론적제트에 의한 싱크로트론복사는 여전히 관측된다. 이런 활동은하핵은 전파복사의 세기에 따라 전파은하(강전파 활동은하핵, 그림 2)나 제2형 세이퍼트은하(약전파 활동은하핵)의 모습으로 관측된다.

만약, 시선각이 더 작아져서 60도에서 30도 정도에 이르면(그림 3), 활동은하핵 중심부에 존재하는 넓은 폭 방출선 영역도 함께 관측할 수 있어서 넓은 폭과 좁은 폭 방출선 모두 관측되는 활동은하핵으로 나타날 것이다. 이런 활동은하핵은 상대론적인제트가 발달한 경우 두 방출선이 모두 관측되는 전파은하로, 상대론적제트가 약할 경우 제1형 세이퍼트은하로 관측된다.

마지막으로, 시선각이 아주 작아져서 관측자의 시선방향이 상대론적제트와 나란할 경우(예, 그림 3의 시선각 4도), 상대론적제트의 복사는 도플러 빔비춤(Doppler beaming) 효과에 의해 증폭되고, 그 밝기는 시간에 따라 빠르게 변하게 되어, 그 활동은하핵은 마치 빠른 변광을 보이는 밝은 점광원처럼 관측된다. 이런 활동은하핵은 상대론적제트가 발달할 경우 강전파 퀘이사나 블레이자의 모습으로, 상대론적제트가 약할 경우 약전파 퀘이사의 모습으로 관측된다.