나사, 40년 만에 풀린 블랙홀 비밀에 ‘한걸음 더’

X선 편광측정 이미지 탐사선 사용
블레이자 관측 나선형 구조 확인

미국 우주항공국(NASA·나사)이 지난해 40년 만에 블랙홀의 ‘블레이자’와 관련된 비밀을 밝혀낸 데 이어 최근 다시 한 번 우주의 수수께끼를 풀 수 있는 실마리를 잡았다.

19일 나사에 따르면 최근 국제 천체 물리학자 팀은 ‘마르카리안 421’ 은하의 블레이자에 대한 ‘X선 편광측정 이미지 탐사선’(IXPE)의 새로운 연구 결과를 발표했다. 나사가 이탈리아우주국(ISA)과 공동 제작한 IXPE는 적도 600㎞ 상공에 배치돼 있다. 연구진은 지구에서 약 4억광년 떨어진 큰곰자리에 위치한 이 블레이자에 대한 연구를 통해 입자가 가속되는 ‘제트’ 부분의 자기장이 나선형 구조를 가지고 있다는 증거를 찾아냈다.

미국 항공우주국(NASA·나사)이 X선 편광측정 이미지 탐사선(IXPE)을 사용해 최근 마르카리안 421 블레이자를 관측한 뒤 추론한 블랙홀 제트의 모습. IXPE 관측에 따르면 가운데의 자기장 주위를 나선형으로 돌고 있는 물질 내에서 발생하는 충격에서 충격파를 만들어내는 것으로 추정된다. 나사 제공

은하 중심에 있는 초대질량블랙홀 중 활동성을 보이는 것은 강력한 중력으로 주변 물질을 빨아들여 제트를 형성해 밝게 빛나게 되는데, 그중에서도 제트 방향이 지구를 향하는 것은 광원이 중첩되며 더 밝게 빛나 블레이자라고 부른다.

제트 내의 고에너지 입자가 어떻게 가속돼 밝게 빛나는지는 40년간 미스터리였다가 지난해 말 IXPE를 통해 베일을 벗게 됐다. 당시 연구팀은 지구에서 약 4억5700만광년 떨어진 헤르쿨레스자리에 있는 ‘마르카리안 501’ 은하의 블레이자를 관측해 이론모델과 비교한 결과 충격파가 입자를 가속하는 시나리오와 가장 부합한다는 점을 밝혀냈다. 이런 충격파는 초음속 제트기가 대기에서 음속을 돌파할 때 폭발음을 만들어내는 것처럼 어떤 물체가 주변 물질의 음속보다 빠르게 움직일 때 형성되는데, 블레이자에서는 빛의 속도에 가깝게 고속으로 뿜어지는 고에너지 입자가 주변의 느린 구름과 충돌하면서 만들어졌다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구에서 관측한 마르카리안 421은 지난해 마르카리안 501 은하의 사촌격으로, 연구팀은 충격파가 제트 입자를 가속한다는 개념에서 나아가 나선형 자기장이 충격파를 일으킨다는 더 명확한 증거를 보여준다고 강조했다. 이번 연구 논문의 수석 저자인 ISA 소속 천체물리학자 로라 디 게수는 “이 천체에서 발견한 것은 우리의 예상을 뛰어넘는 것”이라며 “IXPE 덕분에 천체물리학 제트 연구에 흥미로운 시기가 도래했다”고 말했다.

이우중 기자 lol@segye.com