블랙홀 진화의 실마리, 우리 은하에 있었다

‘중간질량 블랙홀’ 존재 규명
獨 연구팀, 20년간 별 7개 추적 관측… 별 속도가 성단 탈출속도보다 빨라
중간질량 블랙홀의 영향으로 분석
‘태양의 8200배’ 질량은 처음 발견… 몸집 커지면 초거대 블랙홀로 진화

허블망원경으로 촬영한 이미지를 토대로 추측한 중간질량 블랙홀의 위치. ESA·허블·NASA 제공

과학자들이 별의 속도를 분석해 블랙홀 진화론에서 ‘잃어버린 고리’로 불리는 ‘중간질량 블랙홀’이 우리 은하에 존재한다는 사실을 규명했다. 독일 막스플랑크 천문학연구소 연구팀은 허블망원경으로 20년간 우리 은하 주변을 떠도는 구상성단 중 하나인 ‘오메가 센타우리 성단’ 중심부에서 별 7개를 추적 관측해 이들의 속도를 재고 오메가 센타우리 성단에 중간질량의 블랙홀이 있다는 결과를 도출해 10일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 지구에서 1만5000광년 떨어진 오메가 센타우리 성단은 태양보다 오래된 약 1000만 개의 별로 가득차 있다.

블랙홀은 질량에 따라 크게 3가지로 나뉜다. 대형 은하 중심에 있는 태양 질량 수십만∼수십억 배의 ‘초거대질량 블랙홀’과 대형 별의 진화 마지막 단계에서 중력 붕괴를 일으키며 만들어지는 ‘별질량 블랙홀’, 그 사이에 있는 중간질량 블랙홀이다. 천문학자들은 초거대질량 블랙홀은 별질량 블랙홀이 중간질량 블랙홀 단계를 거쳐 진화했을 것으로 추측하고 있어 중간질량 블랙홀이 블랙홀의 진화를 이해하는 데 중요 실마리라고 보고 있다.

연구팀은 허블망원경이 촬영한 이미지를 분석해 오메가 센타우리 성단에 있는 별 7개의 속도가 성단의 탈출 속도 이상으로 빠르다는 사실을 밝혀냈다. 이 같은 속도를 내기 위해서는 중심에 중간질량 블랙홀이 있을 수밖에 없다는 분석이 지배적이다. 김진호 한국천문연구원(천문연) 이론물리센터장은 “별 3개 이상이 서로 중력적 상호작용을 하며 한 개의 쌍성이 생길 때 나머지 별이 성단 탈출 속도 이상으로 튕겨나가기도 하는데 연구팀은 쌍성이 존재한다는 점을 발견하지 못했다”고 말했다.

연구팀은 별의 속도를 계산해 이 중간질량 블랙홀의 질량은 태양 질량의 약 8200배라고 분석했다. 이성호 천문연 천문우주기술센터 책임연구원은 “구상성단, 은하의 중심처럼 많은 별이 밀집한 곳에 중력이 매우 강한 블랙홀이 있으면 별이 블랙홀 주변을 지나면서 가속돼 궤도 운동 속도가 매우 빨라질 수 있다”고 말했다. 태양계에서 길쭉한 타원형 궤도를 가진 혜성들이 태양에서 먼 쪽에 있을 때는 공전 속도가 느리지만 태양에 근접해서는 매우 빠르게 돌아나가는 것과 유사한 원리다. 그는 또 “블랙홀 주변을 공전하는 별의 궤도와 속도를 알아내면 블랙홀의 중력과 질량을 계산할 수 있다”고 설명했다.

지금까지 중간질량 블랙홀은 주로 중력파 관측을 통해 존재가 입증됐다. 중력파는 블랙홀 2개가 합치거나 거대한 질량을 지닌 천체가 충돌할 때 중력이 우주공간으로 물결처럼 퍼져 나가는 파동이다. 별의 속도를 분석하면 중력파보다 훨씬 높은 질량의 블랙홀을 관측할 수 있다. 이형목 서울대 물리천문학부 교수는 “중력파를 이용하면 대부분 태양 질량 100배 정도의 중간질량 블랙홀을 관측한다”고 했다. 현재까지 중력파로 독일 연구팀이 발견한 블랙홀처럼 태양 질량의 1000배 이상 블랙홀은 발견된 적이 없다.

이 책임연구원은 “별의 속도를 이용하는 방법은 별들의 궤도를 알 수 있을 때까지 수십년간 추적 관찰해야 하는 것이 단점이다”라면서 “중력파 관측과 함께 다양한 질량의 블랙홀을 찾으며 앞으로 우리는 블랙홀이 더 큰 질량으로 성장, 진화하는 과정을 잘 이해하게 될 것”이라고 말했다.

중간질량 블랙홀

질량이 태양의 150∼10만 배 규모인 블랙홀을 가리킨다. 천문학자들은 초거대질량 블랙홀은 별질량 블랙홀이 중간질량 블랙홀 단계를 거쳐 진화했을 것으로 추측하고 있어 중간질량 블랙홀이 블랙홀의 진화를 이해하는 데 중요하다고 보고 있다. 중간질량 블랙홀은 지금까지 후보만 몇 개 발견됐을 뿐 아직 존재가 확인되지 않았다.

이채린 동아사이언스 기자 rini113@donga.com