M87 블랙홀, 11년마다 팽이처럼 흔들리며 회전... 천체물리학 난제 풀리나

한중일 참여 국제 연구 
23년 끈질긴 관측 끝에 
블랙홀 회전 증거 확인

세차운동 중인 기울어진 부착원반 모델을 설명하는 그림. 한국천문연구원 제공

막강한 중력으로 모든 것을 빨아들이는 천체인 블랙홀이 팽이처럼 이리저리 흔들리며 회전하는 모습이 처음으로 관측됐다. 이 움직임은 11년마다 반복되고 있었는데, 블랙홀 안팎으로 빨려 들어가고 뿜어져 나오는 물질들 역시 같은 주기에 따라 움직이고 있었다.

한국천문연구원(천문연)을 포함한 국제공동 연구진이 28일(한국시간) 이 같은 사실을 담은 연구를 과학학술지 '네이처'에 발표했다. 이 연구진에는 전 세계 45개 기관에서 79명의 연구원이 참여하고 있으며, 2000~2022년 동아시아우주전파관측망(EAVN)과 초장기선 어레이(VLBA), 한일공동 우주전파관측망(KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(EATING)을 통해 얻은 관측 자료를 분석했다.

연구진이 관측한 M78은 처녀자리 은하단 중심에 있는 초대질량블랙홀이다. 초대질량블랙홀은 대부분 은하 중심에 있는 것으로 추정되는 천체로, 많은 양의 물질을 빨아들이는 강력한 존재다. 그래서 주변에는 안으로 빨려 들어가는 것들이 뭉쳐져 보이는데, 이를 부착원반(accretion disk, 강착원반)이라고 한다. 소용돌이 속으로 빨려 들어가는 물질들이 빙글빙글 돌면서 하나의 원반처럼 보이는 것이다. 이와는 반대로 블랙홀 주변에 강한 자기장과 부착원반-블랙홀 사이의 상호작용 등을 통해 다시 밖으로 뿜어져 나오는 물질의 흐름도 보인다. 이를 '제트'라고 하며, 제트는 보통 부착원반과 수직한 방향으로 방출된다.

세차운동 중인 기울어진 부착원반 모델을 설명하는 동영상 화면. 한국천문연구원 제공

이 같은 제트 방출 메커니즘은 그간 이론적으로만 존재해, 천체물리학의 주요 난제 중 하나로 꼽혔다. 초대질량블랙홀이 실제 회전하는지 관측된 적이 없기 때문이다. 이에 연구진은 23년간 쌓인 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 데이터를 분석해, 해당 블랙홀과 부착원반이 다른 회전축을 두고 움직이면서 제트가 11년 주기로 세차운동¹을 하는 사실을 밝혀냈다. 즉 M87 블랙홀이 실제로 회전하고 있음이 증명된 것이다.

논문의 제1저자인 추이 유주 중국 저장연구소 박사후연구원은 "블랙홀과 부착원반의 회전축이 어긋난 정도가 비교적 작고 세차운동 주기가 길기 때문에 장시간에 걸친 고해상도 데이터의 분석으로 이런 성과로 이룰 수 있어 기쁘다"고 소감을 밝혔다. 한국 측 연구책임자인 노현욱 천문연 박사후연구원은 "앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상이 발견되길 기대한다"고 했다.

1 세차운동

회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상.

오지혜 기자 5g@hankookilbo.com