태양의 20억 배…우주 초기에 생긴 괴물 ‘퀘이사’는 진짜였다 [아하! 우주]

[서울신문 나우뉴스]

엄청난 에너지를 분출하는 퀘이사의 상상도. 사진=T. Müller / MPIA

퀘이사는 우주 초기에 발견되는 매우 밝은 은하 중심 블랙홀로 은하 자체보다도 밝게 빛난다. 퀘이사는 밝기 덕분에 멀리서도 관측할 수 있어 오래전부터 먼 초기 우주를 연구하는 과학자들의 관심을 끌어왔다. 은하 중심에 있는 거대 질량 블랙홀은 이렇게 초기에 많은 물질을 흡수한 후 커진 중력으로 은하 전체에 큰 영향을 미친다.

2011년 과학자들은 129억 광년 거리에서 엄청난 에너지를 내뿜고 있는 괴물 퀘이사를 발견했다. 앞서 말한 것처럼 퀘이사는 대부분 멀리 떨어져 있고 아주 밝지만, J1120+0641는 특히나 더 밝고 더 멀었다. 이 퀘이사는 지구에서 129억 광년이나 떨어져 있음에도 불구하고 지상 망원경으로도 관측할 수 있었다. 질량이 무려 태양의 20억 배에 달하는 초대형 블랙홀이기 때문이다.

지구에서 129억 광년이 떨어져 있다는 것은 빛이 지구에 도달하는 시간만큼 오래되었다는 뜻이다. 다시 말해 J1120+0641는 빅뱅 직후 7억 7000만년 밖에 되지 않은 아주 어린 거대 질량 블랙홀이다. 나이가 130억 년이나 된 우리 은하 중심 블랙홀이 태양 질량의 400만 배 정도인데, 이제 태어난 지 얼마 안 된 은하 중심 블랙홀이 이렇게 크게 성장했다는 것은 놀라운 일이다.

그러나 이 괴물 퀘이사는 과학자들에게 단지 놀라운 존재가 아니라 기존의 은하 생성 및 진화 이론에 도전장을 던지는 중대한 문제였다. 당연히 J1120+0641를 두고 과학자들 사이에서 많은 논쟁이 오갔다. 일부 과학자들은 가스와 먼지 때문에 관측에 오차가 생겨 블랙홀의 질량을 과대평가했다고 생각했고 다른 과학자들은 짧은 시간 안에 엄청난 물질을 흡수하는 이 블랙홀만의 비결이 있을 것으로 추측했다.

막스플랑크 천문학연구소(MPIA) 사라 보스만 박사는 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 관측기 (MIRI)를 이용해 J1120+0641에 대한 가장 상세한 관측을 진행했다. 제임스 웹 우주 망원경은 현재 인류가 가장 강력한 망원경인 데다, 중적외선 관측기는 가스와 먼지를 뚫고 관측하는 데 유리하기 때문에 과학자들은 이번 관측 결과에 큰 기대를 걸었다.

관측 결과 J1120+0641의 실제 질량은 이전에 관측한 것과 같이 태양의 20억 배 수준으로 확인됐다. 가스와 먼지에 가려지는 효과를 과대평가해서 질량을 크게 측정한 건 아니고 진짜 괴물이었던 셈이다. 더 중요한 정보는 블랙홀 주변부 관측에서 얻어졌다. 연구팀은 블랙홀로 빨려 들어가는 물질들이 도넛 모양으로 모인 장소인 토러스를 관측해 J1120+0641만의 차이점이 있는지 조사했다. 그 결과 이 괴물 퀘이사가 물질을 흡수하는 방식은 현재의 블랙홀과 크게 다르지 않았다.

연구팀은 이 결과를 종합해 J1120+0641가 괴물처럼 커진 이유는 처음부터 컸기 때문이라고 판단했다. 다시 말해 태양 질량의 수배에서 수십 배 수준인 항성 질량 블랙홀이 커져서 생긴 블랙홀은 아니라는 이야기다. 그보다는 우주 초기의 고밀도 가스가 은하 중심에서 모여 처음부터 태양 질량의 수십만 배에 달하는 대형 블랙홀로 태어났고 그 중력으로 주변부 가스를 모두 흡수해 초대형 블랙홀로 진화했을 가능성이 높다.

이번 연구에서 볼 수 있듯이 제임스 웹 우주 망원경은 독보적인 관측 능력으로 과학자들이 오랜 세월 궁금해했던 문제에 대해 답을 주고 있다. 10조원 이상이 투입된 역사상 가장 비싼 망원경으로 논란도 있었지만, 이제는 비싼 몸값을 충분히 하고 있다는 것이 과학계의 중론이다. 앞으로도 제임스 웹 우주 망원경의 활약이 기대된다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com