별 삼킨 블랙홀이 '트림'하는 시점 찾았다

초대질량 블랙홀 'LID-568'이 가스를 방출하며 주변 물질을 빠르게 흡수하는 모습을 묘사한 그림. NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani 제공

별을 삼킨 블랙홀이 물질을 주로 분출하는 특정한 두 시기가 발견됐다.

아델 굿윈 호주 커틴대 국제전파천문연구센터 연구원과 앤드루 머머리 미국 프린스턴 고등연구소(IAS) 연구원은 초대질량 블랙홀이 별을 삼킨 뒤 물질을 강하게 분출하는 특정한 두 시점을 제시하고 연구결과를 17일(현지시간) 국제학술지 '네이처 천문학'에 공개했다.

초대질량 블랙홀은 보통 은하 중심에 존재하는 거대한 블랙홀이다. 블랙홀은 주변 물질을 흡수하면서 동시에 가스 등으로 이뤄진 제트(jet) 등을 밖으로 분출하기도 한다. 별을 먹어 치운 뒤 어느 시점에 주로 물질이 분출되는지는 그동안 명확하지 않았다.

연구팀은 조석파괴사건(TDE) 20건의 전파·광학·자외선·X선 관측자료를 모아 물질 분출 시점과 당시 블랙홀의 강착률을 추정했다. 물질 분출 시점은 전파 방출이 급증하는 현상을 통해 간접적으로 유추됐다.

TDE는 별이 블랙홀에 너무 가까이 접근했다가 조석력 때문에 찢어지는 현상이며 강착률은 단위 시간당 블랙홀로 유입되는 물질의 양을 뜻한다. 찢어진 별의 일부는 블랙홀 주변에서 강착원반을 만들고 처음에는 물질이 빠르게 흡수되지만 시간이 지나면 강착률이 떨어진다.

블랙홀로 끌려 들어가는 중력과 블랙홀로 유입되는 물질이 뜨거워지며 내는 강한 빛이 물질을 밖으로 밀어내는 복사압이 균형을 이루는 기준 광도를 '에딩턴 한계'라고 한다. 에딩턴 한계에 해당하는 밝기를 낼 때 블랙홀로 물질이 유입되는 속도를 '에딩턴 강착률'이라고 부른다.

연구팀은 전체 데이터 중 강착원반 상태와 물질 분출 시점을 상대적으로 정확히 파악할 수 있는 TDE 10건의 데이터를 정밀 분석했다.

분석 결과 특정 강착률에서 물질이 주로 분출되는 것으로 나타났다. 물질 분출이 시작된 시점의 강착률 분포는 에딩턴 강착률과 같거나 넘어설 때 에딩턴 강착률의 2% 부근으로 뚜렷했다.

물질 분출이 에딩턴 강착률과 비슷한 속도로 매우 빠르게 물질을 삼킬 때의 초기 분출과 수백~수천일 뒤 강착률이 에딩턴 강착률의 약 2% 수준까지 떨어질 때의 후기 분출로 나뉜다는 뜻이다. 두 분출은 서로 다른 물리적 과정을 통해 발생하는 것으로 추정되며 두 시점에 항상 분출이 일어나는 것은 아니다.

가상 TDE 100만개를 만들어 시뮬레이션한 결과 약 40%가 200일~7년 사이에 에딩턴 강착률 2% 수준을 통과했다. 실제 관측 연구에서 후기 분출이 관측되는 비율인 약 40%와 비슷한 값이다.

이번 연구결과는 크고 작은 블랙홀에서 강착원반과 물질 분출을 지배하는 물리 법칙이 동일하게 작동할 수도 있다는 가능성을 보여준다. 다만 핵심 표본이 아직 10개에 불과하고 물질의 유출 속도가 일정하다는 가정과 물리 모델 한계 등 불확실성이 남아 있어 더 큰 규모에서 검증이 필요하다.

굿윈 연구원은 "블랙홀들의 질량 차이가 매우 커도 비슷한 시점에서 물질을 분출하는 것으로 보인다"고 설명했다. 연구팀은 TDE가 발견됐을 때 강착률 변화를 추적하면 언제 제트가 방출될지 예측해 전파망원경 관측 시간을 효율적으로 배분할 수 있을 것으로 기대한다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41550-026-02951-1

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]