우주의 거의 모든 은하들의 중심부에서 발견되는 초거대질량 블랙홀의 생성과 성장과정 및 모은하들의 진화와의 상관관계를 이해하기 위해서는 블랙홀이 주변 기체들을 부착하여 어떤 상태에서 어느 정도의 에너지를 방출하고 질량이 어떻게 증가하는가를 정확하게 이해할 ...

우주의 거의 모든 은하들의 중심부에서 발견되는 초거대질량 블랙홀의 생성과 성장과정 및 모은하들의 진화와의 상관관계를 이해하기 위해서는 블랙홀이 주변 기체들을 부착하여 어떤 상태에서 어느 정도의 에너지를 방출하고 질량이 어떻게 증가하는가를 정확하게 이해할 필요가 있다. 그러나 지금까지의 연구에서는 블랙홀이 복사에너지를 방출하는 효율을 임의로 가정하고 블랙홀이 기체를 부착하는 질량부착율은 구형 대칭일 때의 Bondi 질량부착율로 대치하였다. 본 연구에서는 블랙홀에 부착되는 기체들이 각 운동량을 가져서 부착원반 등의 형태로 부착되는 경우의 질량 부착율과 부착 흐름의 특성을 알아보기 위해 각운동량과 점성이 있는 기체가 블랙홀에 부착되는 경우를 유체역학 방정식으로 풀었다. 방정식들은 임계점을 가져서 이 임계점을 통과할 수 있는 해가 블랙홀로 정상적으로 부착되는 해들이다. 이로부터 여러 근처 기체들의 밀도, 온도, 각운동량에 대한 부착 해를 구해서 이들의 특성을 조사했다. 기체의 각운동량이 작을 경우에 부착흐름은 구형부착에 해당하는 고전적인 Bondi 부착과 비슷하고 질량 부착율도 학계에서 널리 사용되는 Bondi 질량 부착율과 거의 같았다. 그러나 기체의 각운동량이 증가함에 따라 부착 흐름은 구형부착에서 이류가 강한 부착원반이 된다. 그러나 이때의 질량 부착율은 Bondi 부착율보다는 더 작았고 특정한 경계조건에서는 질량부착율이 만 배 이상 작아질 수 있었다. 특히 특정 경계조건에서는 Eddington 질량 부착율로 표시된 질량 부착율이 Kepler 각운동량 단위로 표시된 기체의 각운동량에 대략 반비례함이 발견되었다. 이는 블랙홀이 주변 기체들의 밀도나 온도 뿐 아니라 각운동량 정도에 따라 부착하는 기체 질량과 방출 에너지가 달라지고 나아가 블랙홀의 성장 속도도 달라짐을 뜻한다. 즉 블랙홀이 위치한 지역의 기체들의 밀도와 온도 뿐만 아니라 각운동량에 따라 블랙홀이 방출하는 에너지와 블랙홀이 성장하는 속도도 달라지게 된다. 이 연구결과는 은하 중심부 기체들의 상태와 블랙홀의 질량과의 상관성도 의미하므로 여러 은하들에서 발견되는 블랙홀들의 질량과 은하들의 특성과의 연관성을 이해하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Black holes are found in almost all galaxies in the universe. To understand the formation and the evolution black holes require precise understanding of the accretion process through which black holes emit radiation and increase their mass. The studie ...

Black holes are found in almost all galaxies in the universe. To understand the formation and the evolution black holes require precise understanding of the accretion process through which black holes emit radiation and increase their mass. The studies so far however assume some given value for the radiation efficiency and use the Bondi accretion rate that is suitable only for the spherical accretion. So in this research I integrated the hydrodynamic equations for the accreting gas with angular momentum and viscosity. The equations have a critical point, and the transonic condition fixes the regular solutions suitable for accretion onto black holes. I find that the gas with low angular momentum becomes similar to the Bondi flow with similar mass accretion rate. The gas with large angular momentum approximates the advective accretion disk, and its mass accretion rate can be much smaller than the classic Bondi accretion rate. Under specific conditions, the mass accretion rate in units of Eddington mass accretion rate is inversely proportional to the angular momentum of gas at infinity in units of Keplerian angular momentum. The dependence of mass accretion rate on the angular momentum of the gas as well as the density and the temperature will have significant implications for the evolution of the supermassive black holes in the universe.

우주에는 여러 종류의 블랙홀이 있지만 은하 중심부에는 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 블랙홀이 발견되었다. 그러나 이 초거대 블랙홀이 어떻게 생성되었거나 성장하였는지는 잘 알려지지 않았다. 그러나 10여 년 전 블랙홀의 질량이 모 은하의 팽대부 ...

우주에는 여러 종류의 블랙홀이 있지만 은하 중심부에는 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 블랙홀이 발견되었다. 그러나 이 초거대 블랙홀이 어떻게 생성되었거나 성장하였는지는 잘 알려지지 않았다. 그러나 10여 년 전 블랙홀의 질량이 모 은하의 팽대부 별들의 속도분산과 강한 상관관계를 가짐이 밝혀짐으로써 은하 중심부의 블랙홀은 전체 은하 질량의 약 십만분의 1, 팽대부 질량의 천분의 1 정도로 작은 질량이지만 은하 전체 또는 중심부의 상태와 밀접하게 연결되어 있음이 밝혀졌다. 따라서 이제 은하 중심부 거대질량 블랙홀이 어떻게 생성되고 어떤 과정을 거쳐 진화되었는지를 밝히는 것은 전체 은하나 팽대부, 헤일로 같은 은하의 부분들이 어떻게 생성되어 진화해왔는가를 밝힐 수 있는 가장 중요한 실마리가 되었다. 그러나 지금까지의 대부분의 연구에서는 블랙홀이 자라날 때 부착하는 기체의 질량과 복사효율을 임의로 정하고 진화과정을 계산하였다. 그러나 이 같은 접근은 블랙홀이 실제 주변 환경에 의해 부착하는 물질의 양과 그에 따라 방출하는 에너지의 양이나 부착흐름의 상태 등이 달라짐을 제대로 고려하지 않았기에 블랙홀이 얼마나 많은 에너지를 내고 또 얼마나 빨리 성장할 수 있는가는 제대로 계산할 수 없고 따라서 블랙홀의 진화와 은하의 진화와의 관계를 이해하는데 큰 오류를 범할 수 있다. 본 연구에서는 은하의 중심부 같이 주변 기체들이 특정한 상태에 있을 때 중심 블랙홀이 기체들을 얼마나 부착하며 그 부착흐름의 상태는 어떻게 되는가를 계산하였다. 이를 위해 각운동량과 점성을 가진 기체가 블랙홀에 끌려 들어오는 과정을 미분방정식으로 표현하고 이 미분방정식이 정상해를 가지는 조건과 그 때의 고유값을 결정하는 과정을 통해 부착흐름 해를 구하고 이 해들의 특성을 조사하여 기존에 알려진 해들과 비교 검토하였다. 특히 블랙홀이 부착하는 근처 기체들의 온도와 밀도, 그리고 각운동량에 따라 부착되는 질량과 기체흐름의 특성이 어떻게 달라지는 가를 연구하였다.

각운동량과 점성을 가진 기체가 블랙홀에 끌려 들어오는 과정은 유체역학 미분방정식계로 표현된다. 근처 기체가 가진 밀도와 온도 및 각운동량을 경계조건으로 주고 미분방정식을 수치적으로 적분하면 특정한 질량부착율에 대해서만 부착 기체흐름이 아음속에서 초음속으 ...

각운동량과 점성을 가진 기체가 블랙홀에 끌려 들어오는 과정은 유체역학 미분방정식계로 표현된다. 근처 기체가 가진 밀도와 온도 및 각운동량을 경계조건으로 주고 미분방정식을 수치적으로 적분하면 특정한 질량부착율에 대해서만 부착 기체흐름이 아음속에서 초음속으로 변하면서 블랙홀로 정상적으로 진입함을 밝혔다. 그런데 이 질량부착율이 미분방정식의 고유값인 것은 이전 연구에서 밝혀진 중요한 결과이지만 이 값이 각운동량에 의해서 달라짐은 본 연구에서 처음 확인하였다. 기체의 각운동량이 작을 경우에 부착흐름은 구형부착에 해당하는 고전적인 Bondi 부착과 비슷하고 질량 부착율도 거의 같았다. 그러나 기체의 각운동량이 증가함에 따라 부착 흐름은 구형부착에서 이류가 강한 부착원반이 된다. 그러나 이때 질량 부착율은 Bondi 부착율보다는 더 작은 값을 가졌다. 특히 Eddington 질량 부착율로 표시된 질량 부착율은 Kepler 각운동량 단위로 표시된 기체의 각운동량에 대략 반비례함이 발견되었다. 이는 블랙홀이 주변 기체들의 밀도나 온도 뿐 아니라 각운동량 정도에 따라 부착하는 기체 질량과 방출 에너지가 달라지고 나아가 블랙홀의 성장 속도도 달라짐을 뜻한다. 즉 블랙홀이 위치한 지역의 기체들의 밀도와 온도 뿐만 아니라 각운동량에 따라 블랙홀이 방출하는 에너지와 블랙홀이 성장하는 속도도 달라지게 된다. 이 연구결과는 은하 중심부 기체들의 상태와 블랙홀의 질량과의 상관성도 의미하므로 여러 은하들에서 발견되는 블랙홀들의 질량과 은하들의 특성과의 연관성을 이해하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.