Distant jets are giving us clues to how supermassive black holes get so big

슈퍼 블랙홀은 어떻게 커지나

새로운 연구 결과에 따르면, 천문학자들이 관찰한 블랙홀 중 가장 오래된 전파 분출 블랙홀이 발견되었다.

모든 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 있다. 별과 행성, 가스와 먼지가 엉겨 붙은 ‘괴물’ 블랙홀이다. 천문학자들이 본격적인 연구를 시작한 이후 수십 년 동안, 우리는 이 물체가 실제로 존재한다는 것을 확인했다. 우리는 블랙홀이 별의 형성을 돕는 데 필수라는 사실을 알게 되었고, 심지어 직접 영상화하는 기술도 개발했다. 하지만 “괴물 블랙홀은 어떻게 그렇게 빨리 거대해지는가?”라는 질문은 천문학자들에게 당혹감을 안겨준다.

질문에 대한 해답은 우주제트(Astrophysical Jet)에 있을 지 모른다. 우주제트는 초거대 블랙홀이 이따금 분출하는 에너지 입자와 방사선이 폭발하는 현상이다. 왜 이런 현상이 일어나는 지 정확히 알 수는 없지만, 같은 연구팀이 수행한 두 가지 연구에 따르면, 이유가 무엇이든 간에 우주제트 현상으로 초대질량 블랙홀의 크기가 커질 수 있다고 한다.

천체물리학저널(Astrophysical Journal)에 발표된 첫 번째 연구는 130억 광년 떨어진 곳에서 발견한 태양보다 300배 더 무거운 초대질량 블랙홀에 대한 것이다. 천문학자들은 칠레 라스 캄파나스 천문대(Las Campanas Observatory)에 있는 마젤란 망원경(Magellan Telescope)의 적외선 관측을 이용하여 이것이 2015년에 최초 감지된 제트의 근원지임을 확인했다. 이 블랙홀은 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 거리(즉, 가장 오래된)에 있는 제트 생성 블랙홀이다.

두 번째 연구는 천체물리학저널의 출판 전 논문 단계이며, 127억 광년 떨어져 있고 태양보다 10억 배 이상 더 무거운 초대질량 블랙홀에서 우주제트를 발견한 것에 대한 내용이다. 이 제트는 2018년에 최초로 포착되었다. 연구팀은 우주의 매우 뜨거운 물체에서 나오는 X선 방출을 감지하는 미 항공우주국(NASA)의 찬드라 엑스선 관측선(Chandra X-ray Observatory)을 사용하여 측정하였다. 이번 사례는 X선 관측 중 가장 먼 거리의 우주제트 현상이다.

각각의 연구 결과는 천문학이라는 난해한 분야에서 새로운 기록을 수립했지만, 포인트는 이것이 아니다. 첫번째와 두번째 연구 결과를 보면, 초대질량 블랙홀이 고에너지 물질을 지속적으로 방출하고 있음에도 불구하고 왜 그렇게 빨리 커지는지 알 수 있다. 연구팀은 제트가 실제로 블랙홀의 빠른 성장을 촉진시킨다는 것을 보여주는 단서를 최초로 발견했다.

마젤란이 블랙홀의 존재를 확인한 후 첫 번째 연구에서, 연구팀은 질량 같은 제트와 블랙홀 특징을 식별하기 위해 칠레 소재 초거대망원경(Very Large Telescope) 등 다른 관측 기구를 사용했다.

추가 자료를 보면 제트가 어떻게 블랙홀의 크기 증가로 이어지는지를 알 수 있다. 블랙홀의 강력한 중력은 엄청난 양의 가스와 먼지를 사건의 지평선(Event Horizon: 외부로 빠져나갈 수 없는 지점)으로 끌어당기려 한다. 이 물질은 각운동량(Angular Momentum)을 가지고 있어서, 그냥 수직으로 떨어지는 것이 아니라 사건의 지평선 주위를 돈다는 의미이다. 한편, 이 지역의 방사선 압력(빛을 발할 때까지 스스로를 가열하는 궤도 물질의 원반에서 마찰과 스트레스에 의해 생성됨)은 사건의 지평선에서 계속 가스를 밀어낸다.

약간 복잡한 이야기지만, 기본적으로 제트의 고에너지 입자빔은 바깥쪽으로 이동할 때 가스의 각운동량을 빼앗는다. 방사선 압력은 모든 방향으로 빛을 발하고 밀어낸다. 이와 달리, 제트는 폭이 좁아서 상호 작용도 겨우 하고 먼 곳에 있는 저밀도 가스층에 미치는 영향도 작다. 밀리지 않고 가스가 각운동량을 잃게 하면, 사건의 지평선을 둘러싼 가스 대부분은 그대로 떨어진다.

미 항공우주국 천문학자이자 두 논문의 공동 저자인 토마스 코너(Thomas Connor)는 다음과 같이 주장한다. “이런 방식으로 제트는 블랙홀이 큰 반작용을 일으키지 않고 계속해서 몸집을 불릴 수 있게 한다. 과학자들은 제트가 블랙홀 성장 과정에 일조한 것으로 추측하고 있지만, 여기에 대해서 아직까지 유력한 증거를 찾지 못했다.”

X선 연구는 이러한 추측을 뒷받침한다. 관측 결과 제트는 진원지에서 15만 광년 떨어진 곳으로 이동했으며, 이는 수천 광년 이상의 제트를 최초로 X선 관측한 것이다. 코너는 “다량의 X선 탐지는 제트가 믿을 수 없을 정도로 오랫동안 존재했다는 것을 의미한다”고 말한다. 제트는 단순히 일시적인 현상이 아니라 수십만 년 동안 지속되었다. 이 기간이라면 초거대 블랙홀이 실제로 아주 빨리 커질 수 있는 충분한 시간이다. 코너는 “장기적인 기간에 걸쳐 이루어졌다는 것을 알고 있다. 또한 제트 덕분에 슈퍼 블랙홀이 몸집을 불릴 수 있었다”고 주장한다. “이번 발견은 15년간 연구해온 이론과 현실 사이에서 그동안 빠져있던 부분을 채워주는 느낌이다.”

두 차례의 연구로 초대질량 블랙홀이 어떻게 진화했고, 초기 우주 형성에 어떤 역할을 했는지 더 많이 파악할 수 있는 후속 연구의 토대가 마련되었다. 우리는 이제 고대의 블랙홀을 찾는 방법에 대해서 잘 알게 되었고, 수차례의 X선 관측은 제트의 메커니즘이 어떤 식으로 작용하는지를 파악하는 데 매우 중요하다는 것도 이해하게 되었다.

추가적인 관측으로 코너는 해답을 얻을 것이다. 그는 이번에 거둔 두 건의 성과로 상당히 들떠있다. “이번 발견은 이런 물체가 더 많이 있다는 것을 암시한다”며 “조만간 또 기록이 갱신되기를 바란다”고 전했다.

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