블랙홀에 가스가 빨려 들어가면 엄청난 양의 에너지와 함께 전자기 방사선이 온 사방으로 방출된다. 이는 우주에서 지금껏 알려진 가장 밝은 물체이다. 지금까지 과학자들은 초대질량 블랙홀에서 나오는 빛과 그 외 방사선이 우리 망원경을 향해 곧바로 들어올 때에만 이를 관측할 수 있었다. 블랙홀 뒤편에서 나오는 것은 모두 감춰져 있었다.

지금까지는 그랬다. 그런데 블랙홀 뒤편에서 주변 시공간의 휨으로 인해 방사선이 휘어져 나오는 현상을 입증하는 논문이 최근 네이처(Nature)에 발표되었다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 또 하나의 증거다.

“정말 짜릿한 결과”라고 웨인 주립대학교(Wayne State University) 천문학자 에드워드 캐킷(Edward Cackett)은 말한다. 캐킷은 이번 논문에 참여하지 않았다. “지금까지 X선 메아리(x-ray echo)의 흔적은 봤지만, 블랙홀 뒤편에서 방출되어 우리 시야 내로 휘어져 들어오는 메아리를 별도로 분리해서 볼 수는 없었다. 이제 블랙홀로 물체가 빨려 들어가는 모습과 블랙홀에 의해 주변 시공간이 휘는 모습을 보여주는 영상을 한 층 발전시킬 수 있을 것”이라고 캐킷은 부연한다.

블랙홀은 가끔 X선 형태로 에너지를 방출한다. 이 같은 에너지 방출 과정은 그야말로 일대 장관을 이룬다. 에너지를 대량으로 발산하는 초대질량 블랙홀은 기본적으로 주변에 은하가 형성되도록 하는 동력원 역할을 한다. “은하 형성 과정을 알고 싶다면 블랙홀 외부에서 일어나는 과정을 잘 알아야 한다. 이 과정에서 엄청난 양의 에너지와 힘이 방출되며, 이 밝은 빛의 원천이 우리가 연구하는 대상”이라고 이번 논문의 주저자인 스탠포드 대학교 천체물리학자 댄 윌킨스(Dan Wilkins)는 말한다.

이번 연구는 지구에서 1억 광년 떨어진 I츠비키1(I Zwicky 1) 은하 중심부의 초대질량 블랙홀에 초점이 있다. I츠비키1 같은 초대질량 블랙홀 중심부(회귀 불가 지점, 사건지평선)로 빨려 들어간 대량의 가스는 블랙홀을 둘러싼 원반 모양으로 평평하게 펼쳐진다. 블랙홀 위쪽으로는 초전도 입자가 자기장 활동과 결합하면서 고에너지 X선이 방출된다.

이렇게 생성된 X선의 일부는 곧장 지구를 향해 방출된다. 일반적으로 우리는 이를 망원경을 통해 관찰한다. 그런데 이렇게 생성된 X선의 또 다른 일부는 가스 원반을 향하여 아래쪽으로 방출된 후 원반에 반사가 된다. I츠비키1 은하의 블랙홀은 회전 속도가 다른 대부분의 초대질량 블랙홀보다 빠른 속도로 느려지는 중이다. 그래서 주변의 가스와 먼지를 더 잘 빨아들이고, 이렇게 흘러 들어간 가스와 먼지는 블랙홀의 연료가 된다. 그 결과 더 큰 규모의 X선이 방출된다. 윌킨스와 연구팀은 바로 이 부분을 파고 들었다.

I츠비키1 은하의 블랙홀을 관찰하던 윌킨스와 연구팀은 블랙홀 코로나가 ‘섬광처럼 번쩍이는’ 것을 발견했다. X선 진동이 거대 가스 원반에 반사되면서 생기는 이 섬광은 블랙홀 그림자의 뒤편에서 나오고 있었다. 블랙홀 그림자는 일반적으로 관찰이 불가능하다. 그렇지만 블랙홀에 의해 주변 공간이 휘어진 결과, 가스 원반에 반사된 X선도 휜 공간을 따라 휘어지면서 관찰할 수 있게 된 것이다.

이번 발견에는 우주 X선 포착에 최적화된 NASA의 NuSTAR 우주 망원경과 유럽우주국의 XMM-Newton 우주 망원경이 사용되었다.

이번 발견은 무엇보다 1963년 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 예측한 내용 즉, 초대질량 블랙홀 같은 거대 물체의 주변에서 빛이 어떻게 휘는지 확인했다는 데 의미가 있다.

“블랙홀에 의해 주변 공간이 휘어지는 패턴에 따라 블랙홀의 저 뒤편에서 빛이 휘어 버리는 현상의 직접적 흔적을 우리가 실제로 관측한 것은 이번이 처음”이라고 윌킨스는 말한다.

“이번 관측 결과 때문에 블랙홀에 물체가 빨려 들어가는 전반적인 모양이 달라질 것은 없다. 다만, 일반 상대성이 블랙홀 시스템에서도 유효하다는 것을 잘 보여주는 발견”이라고 MIT의 천체물리학자 에린 카라(Erin Kara)는 말한다. 카라는 이번 논문에 참여하지 않았다.

초대질량 블랙홀은 지구에서 너무 멀어서 최신 기구를 사용해도 이름과 달리 빛으로 된 하나의 점으로 밖에 보이지 않는다. 과학자들이 M87 은하 중심부에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자를 사건지평선 망원경(Event Horizon Telescope)을 이용해 포착했지만, 모든 초대질량 블랙홀 영상을 그런 식으로 포착할 수는 없을 것이다.

그래서, 아직 이른 감은 있지만, 윌킨스와 연구팀은 휘어진 시공간의 뒤편에서 나오는 X선 메아리를 더 많이 관측하고 연구하면 먼 곳에 있는 초대질량 블랙홀의 일부 어쩌면 전체를 영상화 하는 데 기여할 수 있지 않을까 기대한다. 만약 가능하다면, 초대질량 블랙홀이 어떻게 성장하여 온 은하를 지탱하고 극한의 물리 법칙이 적용되는 환경을 창조하는지를 둘러싼 신비를 조금이라도 밝히는 데 도움이 될 것이다.