태양 400만배나 되는 초대질량 블랙홀의 역사는 90억년

곽노필의 미래창

천문학자들의 국제연구협력단인 ‘사건지평선망원경’(EHT)팀이 2022년 처음 관측한 우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀 ‘궁수자리 A*’. 지구에서 2만7천광년 떨어져 있는 이 블랙홀의 겉보기 크기는 달 표면에 있는 도넛과 같다. 사건지평선망원경팀 제공

거의 모든 대형 은하의 중심에는 태양의 수십만~수십억배에 이르는 질량을 가진 초대질량 블랙홀이 있다.

우리 은하에서도 지구에서 2만7천광년 떨어져 있는 은하 중심에 태양 400만배 질량의 ‘궁수자리 에이-스타’(Sgr A*, ‘사지-에이-스타’로 발음)라는 초대질량 블랙홀이 있다.

블랙홀은 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나올 수 없는 천체를 가리킨다. 일반적으로 태양보다 훨씬 큰 별이 핵융합 에너지를 소진하고 붕괴하는 과정에서 초신성 폭발을 일으킨 뒤 생성되는 초고밀도 천체다. 하지만 이렇게 만들어지는 블랙홀은 기껏해야 질량의 태양의 150배를 넘지 못한다.

따라서 태양 수백만배나 되는 초대질량 블랙홀의 형성 과정은 수수께끼로 남아 있다. 다만 과학자들은 초대질량 블랙홀은 별이 탄생과 죽음이라는 과정을 거치지 않고 거대한 가스 덩어리가 직접 고밀도로 압축돼 붕괴하거나 기존 블랙홀이 합병하는 과정에서 만들어지는 것으로 본다.

미국 라스베이거스 네바다대 연구진이 우리 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 궁수자리 에이스타는 90억년 전 2개 블랙홀이 합병해 형성된 것일 가능성이 크다고 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다.

이번 연구는 2022년 이 블랙홀의 최초 영상을 촬영한 사건지평선 망원경(EHT)의 관측 데이터를 분석한 결과다.

칠레 아타카마 사막에 있는 알마 천문대에서 본 은하수와 중심 블랙홀 궁수자리A*의 위치. 유럽우주국 제공

100억년 전에 일어난 마지막 대형 은하 충돌

사건지평선은 블랙홀 자체는 볼 수 없으나 블랙홀의 강력한 중력에 이끌려 모여든 물질이 빛을 내면서 블랙홀 주위에 만든 빛의 고리를 말한다.

사건지평선 망원경은 이 사건지평선을 관측하는 전파망원경으로 칠레 아타카마 사막의 대형 전파망원경 알마(ALMA)를 비롯해 전 세계 8개의 전파망원경을 연결한 지구 규모의 가상 망원경이다.

연구진은 컴퓨터 모의실험을 통해 은하수의 회전 속도에 비해 궁수자리A 블랙홀의 회전 속도가 지나치게 빠르고 회전축의 경사각이 어긋난 이유를 살펴본 결과, 질량 비율이 4 대 1인 두 블랙홀이 합병할 경우 이런 현상이 재현된다는 걸 확인했다.

빙 장 교수(천체물리학)는 “이 합병은 100억년 전 우리 은하와 가이아-엔셀라두스 은하의 합병이 일어난 지 10억년 후인 90억년 전에 일어났을 가능성이 크다”고 말했다.

과학자들은 우리 은하는 빅뱅 8억년 후부터 만들어지기 시작해 이후 10억~20억년에 걸쳐 다른 은하들과 숱하게 충돌하며 오늘날과 같은 크기와 모양의 나선 은하가 된 것으로 추정한다. 우리 은하의 4분의 1 크기인 가이아-엔셀라두스 은하와의 충돌은 마지막으로 발생한 대형 충돌 사건이었다.

유럽우주국의 주도 아래 2035년 발사할 예정인 우주 기반 중력파 관측소 ‘리사’ 개념도. 한 변이 250만km인 정삼각형을 이루는 3개 우주선으로 구성된다. 위키미디어코먼스

연구진은 이번 연구는 2035년 발사되는 최초의 우주 기반 중력파 관측소 ‘리사'(LISA)의 관측에도 주요한 참고 자료가 될 것으로 본다. 리사는 빛 대신 중력파를 이용해 역동적인 천체물리 현상을 측정한다.

중력파란 거대한 블랙홀이 충돌(합병)할 때 발생하는 강력한 파동에 의해 나타나는 시공간의 왜곡 현상을 말한다. 연구진은 리사가 우주 전역에서 일어나는 초대질량 블랙홀의 합병을 직접 관측할 수 있기 때문에 초대질량 합병이 우주 진화에서 어떤 역할을 했는지 확인할 수 있을 것으로 기대한다. 리사는 각 변의 길이가 250만km인 정삼각형 형태로 배열된 3개의 우주선으로 구성된다.

*논문 정보

DOI: 10.1038/s41550-024-02358-w

Evidence of a past merger of the Galactic Centre black hole.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr