The first black hole ever discovered is more massive than we thought

인류 최초 발견 블랙홀, 생각보다 더 컸다

백조자리 X-1의 블랙홀은 반세기 전 처음 발견되었다. 그러나 우리는 여전히 이 블랙홀로부터 새로운 것을 발견하고 있다.

아인슈타인은 1916년 발표한 일반 상대성이론에 대한 논문에서 중력이 시공간의 구조를 어떻게 형성하는지 설명하며 블랙홀의 존재를 처음으로 예측했다. 그러나 블랙홀이 처음 발견된 것은 1964년이 되어서였다.

최초의 블랙홀은 백조자리에서 약 6,070광년 떨어진 곳에서 발견되었다. 우주로 발사된 가이거 계수기가 백조자리 X-1이라는 영역에서 나오는 우주 X선을 감지했다. (이제 우리는 우주선이 블랙홀에 의해 생성된다는 것을 알고 있다. 당시에는 많은 논란이 있었다. 스티븐 호킹은 이 신호가 블랙홀에서 비롯된 것이 아니라고 물리학자 킵 손(Kip Thorne)에게 단언했지만, 1990년에 이를 번복했다.)

약 57년이 지난 지금, 과학자들은 백조자리 X-1의 블랙홀이 처음 예상보다 훨씬 거대하다는 사실을 알게 되었다. 이로 인해 블랙홀이 어떻게 형성되고 진화하는지 재검토해야 할 필요성이 대두되었다. 이번에는 지구 표면에서 관찰이 이루어졌다.

사이언스에 발표된 이 연구의 주저자인 호주 커틴대학 국제 전파천문학 연구센터(International Centre for Radio Astronomy Research at Curtin University) 제임스 밀러 존스 (James Miller-Jones) 박사는 “어느 정도 운이 따른 결과”라며 “처음에는 거리와 블랙홀의 질량을 다시 측정할 계획이 없었는데, 데이터 분석과정에서 예상을 뛰어넘는 블랙홀 질량의 규모를 깨달았다”고 말했다.

블랙홀은 물질은 고사하고 빛조차도 그 중력의 힘을 피할 수 없을 정도로 거대하다. 그러나 때로 방사선과 이온화된 물질을 우주로 분출하는 불가사의한 존재이기도 하다. 존스 박사와 연구팀은 물질이 어떻게 블랙홀로 빨려들어가고 밀려나오는지 조사하기 위해 백조자리 X-1을 보다 자세히 들여다보고자 했다.

연구팀은 하와이에서 버진아일랜드까지 북미 전역에 위치한 10개의 전파망원경망 초장기선 전파간섭계(VLBA, Very Long Baseline Array)를 사용하여 6일간 블랙홀을 관찰했다. 해상도는 달 표면에 있는 10cm 길이의 물체를 식별하는 데 필요한 수준과 비슷하며 사건의지평 망원경(Event Horizon Telescope)이 최초로 블랙홀 사진을 찍을 때 사용한 것과 동일한 기술이다.

전파와 온도에 대한 측정 자료를 조합해 연구팀은 백조자리 X-1의 블랙홀과 초거성 HDE 226868의 정확한 궤도를 모델링했다. 둘은 서로 궤도를 맞대고 돈다. 각각의 궤도를 알기 때문에 연구팀은 질량을 추정할 수 있었다. 블랙홀은 기존 추정치보다 약 50% 큰 21개 태양질량을 가지고 있었다. (태양질량은 태양 하나에 해당하는 질량이다.)

블랙홀의 질량은 몇 가지 요인들, 특히 블랙홀로 빨려들어간 별의 크기와 항성풍 형태로 침식되는 질량의 크기에 따라 좌우된다. 별은 표면 온도가 올라가고 밝기가 세질수록 더욱 변덕스러운 항성풍을 만들 뿐만 아니라 더욱 무거워지는 경향이 있다. 따라서 별의 질량이 커질수록 붕괴 전과 붕괴 중 항성풍으로 인해 잃는 질량이 커지고, 결국 보다 가벼운 블랙홀이 생성된다.

대부분 과학자들은 은하계의 강력한 항성풍으로 인해 별의 원래 크기와 관계없이 블랙홀의 질량은 15태양질량 이하일 것으로 생각했다. 그러나 이번 발견으로 그러한 예상은 완전히 뒤집혔다.

존스 박사는 “기존에 생각한 한계값보다 훨씬 더 큰 블랙홀을 발견함에 따라 거대 항성이 수명 주기 동안 항성풍으로 인해 얼마나 많은 질량을 잃는지 측정하는 모델을 수정해야 할 필요가 생겼다”라고 말했다. 이는 은하계 사이를 움직이는 항성풍이 당초 예상만큼 강하지 않거나 별들이 다른 방식으로 질량을 뺏긴다는 의미일 수 있다. 아니면 블랙홀이 우리가 예상할 수 있는 범위보다 훨씬 더 이상하게 움직이고 있는지도 모른다.

연구팀은 백조자리 X-1에 대한 관측을 이어나갈 계획이다. 호주와 남아프리카공화국에 설치된 대형 전파망원경 SKA(Square Kilometer Array)와 같은 장치를 통해 이 블랙홀 및 인근 블랙홀에 대한 보다 정확한 이해를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 은하계에는 천만에서 10억 개에 이르는 블랙홀이 있을 것으로 추정되며, 이들 중 몇 개의 블랙홀만 연구하더라도 이 수수께끼를 푸는데 한걸음 더 다가설 수 있을 전망이다.

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