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활동은하핵(活動銀河核, active galactic nucleus; AGN)은 전자기 스펙트럼의 일부, 또는 모든 대역에서 보통 이상의 광도를 내는 은하의 중심에 존재하는 컴팩트한 영역이다. 활동은하핵이 있는 은하는 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등 다양한 파장에서 대량의 에너지를 방출한다. AGN을 품고 있는 은하를 더러 활동은하(活動銀河, active galaxy)라고 한다. AGN의 전자기 복사는 은하 중심의 초대질량 블랙홀 주위로 질량이 강착됨으로써 발생하는 것으로 생각되고 있다. AGN은 우주에서 가장 밝고 지속적인 광원들 중 하나로서, 멀리 떨어진 천체의 발견에 도움을 줄 뿐만 아니라, AGN의 진화를 살펴봄으로써 우주론에도 기여할 수 있다.
AGN의 동력은 초대질량 블랙홀(106 to 1010 M⊙)에 물질이 강착되어 발생하는 것이라는[1] 견해가 오랫동안 논의되고 있다.[2] AGN은 크기가 매우 작으며 지속적으로 매우 높은 광도의 에너지를 방출한다. 물질이 강착되면 위치에너지와 운동에너지가 방사선 복사로 전환되는데, 질량이 매우 거대한 블랙홀은 에딩턴 광도가 높아서 지속적으로 큰 광도로 복사선을 방출할 수 있다. 현재 질량이 큰 은하들은 모두 또는 대부분 중심에 초대질량 블랙홀을 품고 있는 것으로 생각된다. 그 증거는 블랙홀의 질량과 은하팽대부의 속도분산 사이의 상관관계(M-시그마 관계)이다.[3]
AGN의 표준 모형에서, 블랙홀 근처의 차가운 물질들은 강착원반을 형성한다. 강착원반에서 물질은 안으로, 각운동량은 밖으로 향하며 에너지가 흩어지는 과정에서 강착원반이 뜨거워지게 된다. 강착원반의 스펙트럼은 가시광-자외선 대역에서 최고값을 찍는다. 그리고 강착원반 위로 뜨거운 물질들이 코로나를 형성하는데, 이 코로나는 역(逆) 콤프턴 산란을 일으켜 광자의 에너지를 엑스선 대역까지 올려버릴 수 있다. 강착원반에서 방출되는 복사선은 블랙홀 근처의 차가운 원자 물질을 들뜨게 만들고, 물질이 원래 상태로 돌아오면서 특징적인 방출선이 만들어진다. AGN이 방출하는 복사선의 대부분은 강착원반 바로 근처의 성간 가스 및 성간진에 흡수되지만, 시간이 지나면 다른 대역, 대개 적외선으로 재방출된다.
일부 강착원반은 한 쌍의 제트를 만들어낸다. 제트는 매우 빠른 고지향성 흐름으로, 원반 가까이에서 시작하여 양 반대쪽으로 진행한다. 제트의 방향은 강착원반의 각운동량 축선 또는 블랙홀의 회전축에 의해 결정된다. 천문 기기의 한계로 인해 제트가 만들어지는 기작과 제트의 정확한 성분 조성은 현재로서는 정확히 밝혀져 있지 않다. 때문에 제트 생산에 관한 다양한 이론적 모델이 제기되어 있음에도 그 중 무엇 하나를 지지하는 증거는 충분히 존재하지 않는다. 제트는 전파 대역에서 가장 두드러진 관측 효과를 나타내며, 초장기선 관측계를 사용해 싱크로트론 복사를 연구할 수도 있다. 다만 제트는 전파에서 감마선까지 모든 파장의 빛을 방출한다. 때문에 제트는 AGN을 볼 때 관측되는 연속 복사의 원인 중 하나로도 꼽힌다.
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AGN을 규정할 수 있는 단일한 관측적 특징은 없다. 아래 목록은 지금까지 AGN으로 밝혀진 천체들의 중요한 특징들을 열거한 것이다.
AGN은 두 가지 종류로 나누는 것이 편리하며, 그 둘을 관습적으로 전파 대역에서 어두운(radio-quiet) 것과 밝은(radio-loud)이라고 부른다. 전파 대역에서 밝은 경우 AGN의 광도 대부분을 제트가 차지한다. 전파 대역에서는 확실히 제트의 기여도가 크고, 다른 대역에서도 제트가 큰 기여도를 나타낼 수 있다. 전파 대역에서 어두운 경우에는 제트 및 제트의 방출을 무시할 수 있기 때문에 좀더 단순해진다.
AGN의 하위 유형들의 용어는 물리적 차이보다 발견 및 분류의 역사적 맥락에 따라 정해지기 때문에 다소 혼란의 여지가 있다.
여기서는 은하핵의 특징에 관해서만 다룰 터이니, 제트를 비롯한 은하 전반의 특징에 대해서는 전파은하를 참조할 것.
이상을 정리하면 다음 표와 같다.
은하 유형 | 활동은하핵 | 방출선 | 엑스선 | 과잉 | 강한 전파 | 제트 | 변광 | 가시광선보다 전파가 훨씬 밝음 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
좁은선 | 넓은선 | 자외선 | 원적외선 | |||||||
일반 은하 | 없음 | 약함 | 없음 | 약함 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 |
스타버스트 | 없음 | 있음 | 없음 | 어느정도 | 없음 | 있음 | 어느정도 | 없음 | 없음 | 없음 |
세이퍼트 I | 있음 | 있음 | 있음 | 어느정도 | 어느정도 | 있음 | 매우적음 | 없음 | 있음 | 없음 |
세이퍼트 II | 있음 | 있음 | 없음 | 어느정도 | 어느정도 | 있음 | 매우적음 | 있음 | 있음 | 없음 |
퀘이사 | 있음 | 있음 | 있음 | 어느정도 | 있음 | 있음 | 어느정도 | 어느정도 | 있음 | 10% |
블레이자 | 있음 | 없음 | 어느정도 | 있음 | 있음 | 없음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
BL Lac | 있음 | 없음 | 없거나 희미 | 있음 | 있음 | 없음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
OVV | 있음 | 없음 | BL Lac보다 강함 | 있음 | 있음 | 없음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
전파은하 | 있음 | 어느정도 | 어느정도 | 어느정도 | 어느정도 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
가시광 대역에서든 전파 대역에서든, 적색편이가 가장 큰 천체들의 대부분을 활동은하들이 차지하고 있다. 적색편이가 크다는 것은 곧 지구에서 멀리 떨어져 있다는 바, 광도가 매우 큰 활동은하들이 멀리 떨어져도 잘 보이는 것이다. 활동은하들은 여전히 초기우주 연구에 있어 중요한 역할을 하고 있지만, 현재는 AGN을 통해 알아낸 초기 우주는 적색편이가 큰 "전형적" 은하에 대해 편향되어 있다고 생각되고 있다.
보다 흥미로운 점은 AGN의 진화에 관한 연구이다. 초기 우주에서는 광도가 큰 AGN들이 많았던 것으로 생각된다. 여기서 생각할 수 있는 점은 (1) 초대질량 블랙홀이 일찍이 형성되었고 (2) 광도가 큰 AGN이 형성될 수 있는 환경(은하의 중심 근처에 존재하는 차가운 기체의 양 따위)이 현재보다 초기 우주에 더 흔했다는 것이다. 또한 이것은 한때 밝은 퀘이사였던 많은 천체들이 지금은 광도가 떨어졌으며, 또는 아예 꺼져버렸을 수도 있음을 시사한다. 광도가 작은 AGN들은 큰 적색편이에서 관측이 어렵기 때문에, 이것들의의 진화는 깊이 이해되지 못하고 있다.
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