[아하! 우주] 2015 우주에서 새롭게 발견된 ‘블랙홀’ 톱 7

영화 ‘인터스텔라’에서는 블랙홀에 빠져들어간 주인공이 가까스로 생존하는 장면이 나온다. 초고밀도에 의하여 생기는 중력장의 구멍을 뜻하는 블랙홀은 일반적으로 모든 것을 흡수하고 파괴하며 절대 헤어나올 수 없는 존재로 인식돼 왔지만 이와 달리 '킬러'가 아니라는 주장도 있다.

역설적이지만 블랙홀은 우주에서 가장 밝은 천체 가운데 하나로 그 자체는 빛을 내지 않지만, 그 안으로 빨려 들어가는 물질이 빛과 에너지를 내놓는다.

대부분의 은하들은 그 중심부에 우리 태양 질량의 수백 만 배 심지어 수십억 배가 넘는 거대한 블랙홀을 품고있다. 우리 은하에도 역시 태양 질량의 약 400만 배가 넘는 거대 블랙홀이 '조용히' 존재하지만 어떤 블랙홀은 주변 물질을 게걸스럽게 잡아먹으며 요란을 떨기도 한다.

2015년 한해 학계를 떠들썩하게 만든 블랙홀과 관련된 연구성과를 정리해봤다.

- 충돌하는 두 은하 속 ‘괴물 블랙홀’ 탄생 포착 　

올해 초 미 항공우주국(NASA)의 누스타(NuSTAR) 우주망원경이 두 은하의 충돌로 인해 괴물 블랙홀이 탄생하고 있는 현장을 잡아냈다.



블랙홀 현상을 추적하기 위해 우주로 쏘아올려진 NuSTAR는 고에너지 X선 자기장 영역을 관측할 수 있는 위성 망원경이다. 충돌한 두 은하는 Arp 299로 통칭되는 것으로, 지구로부터 1억 3400만 광년 거리에 있다.

- 별을 ‘호로록’ 빨아먹는 괴물 블랙홀 포착　

지난 1월 미국과 헝가리 등이 참여한 국제 연구진이 지구로부터 약 30억 광년 거리에 있는 한 거대질량 블랙홀의 식사 장면을 확인했다는 연구결과를 발표했다.
천문학자들은 이전에도 여러 블랙홀이 별을 먹은 과정을 목격해왔지만, 이번처럼 식사 중인 모습이 관측된 경우는 이례적인 일이라고 밝혔다.



이 놀라운 광경은 2009년 1월 미국 텍사스주(州)에 있는 맥도널드천문대의 한 작은 망원경(ROTSE-IIIB)에 의해 처음 목격됐다. 이후 미 하와이 마우나케아 산에 있는 W.M.켁 천문대의 천체망원경과 구경 9.2m 호비-에버리 망원경, 스위프트 위성 등으로 관측한 데이터를 사용해 ‘비밀’을 밝힐 수 있었다. 22.5등급으로 분류되는 이 천문 사건은 가장 밝은 항성 폭발로 알려진 ‘초광도 초신성’보다 더 밝았다.

- 태양 질량의 120억배 ‘초대형 블랙홀’ 발견

지난 2월 우주 퀘이사 중심에서 거대한 규모의 블랙홀이 발견됐다. 퀘이사는 지구에서 관측할 수 있는 가장 먼거리에 있는 천체로, 수많은 별들로 이뤄진 은하다.

‘SDSS J0100+2902’ 라고 명명된 이 블랙홀은 지구에서 128억 광년 떨어진 곳에 위치하고 있으며, 그 질량이 태양의 120억배에 달하는 것으로 알려졌다. 이를 처음 발견한 오스트레일리아국립대학의 푸얀 비엔 박사 연구진은 이 블랙홀이 먼 우주에서 가장 밝은 광원체로서 ‘등대’와 같은 역할을 한다고 설명했다.

연구진에 따르면 퀘이사 중심에 있는 이 블랙홀은 엄청난 중력을 자랑하며, 태양보다 질량이 훨씬 큰 만큼 태양이 발산하는 에너지와 비교하기 어려울 정도의 강한 에너지를 뿜어내는 것으로 알려졌다.



이 블랙홀은 매우 짧은 시간 동안 거대한 질량의 초대형 블랙홀로 성장한 것으로 추측된다.

- 초거대 블랙홀 제트 간 충돌 사상 첫 포착

초거대 블랙홀에서 제트끼리 서로 충돌하는 현상이 사상 처음으로 포착됐다. 지난 5월 미국 우주망원경연구소(STScI)측은 타원은하 NGC 3862 중심에 있는 블랙홀 제트의 충돌 모습을 유명학술지 네이처(Nature)에 발표했다.

미 항공우주국(NASA)의 허블우주망원경으로 관측한 이번 현상은 지구로부터 약 2억 6000만 광년 떨어진 곳에 위치한 은하 NGC 3862의 중심부에서 포착됐다. 일반적으로 은하 중심에는 거대 블랙홀이 존재한다. 이를 증명하는 것이 바로 은하 중심에서 ‘물질’이 방출되는 현상인 제트(jets)다.

사실 모든 것을 집어 삼킨다는 블랙홀이 왜 제트를 뿜어내는지 또한 그 구성 물질이 정확히 어떻게 되는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.



다만 에너지가 강한 X선과 에너지가 약한 X선의 강도 비율에 밀접한 연관이 있다고 추측되고 있다. 그러나 블랙홀이 인간의 머리로 상상하기 힘든 에너지를 엄청난 속도로 뿜어낸다는 것은 확실하다.

- 태양보다 5000배 큰 중간급 블랙홀 발견

지난 9월 NASA와 메릴랜드 대학 공동연구팀은 지구 남반구 별자리인 그물자리 방향으로 약 1,350만 광년 떨어진 NGC 1313에서 중간급의 새 블랙홀을 발견했다고 발표했다.

막대나선은하인 NGC 1313에 놓여있는 블랙홀 ‘NGC 1313 X-1’은 중간급이라는 수식어가 붙어있지만 사실 우리 태양보다도 무려 5000배 이상이나 질량이 크다. 일반적으로 블랙홀의 크기는 우리 태양과 비교해 크게 두 부류로 분류한다. 블랙홀이 우리 태양 질량의 100만 배 이상인 경우 ‘초질량 블랙홀’로, 10~100배 수준이면 ‘별질량블랙홀’ 로 구분하는 것.
그러나 흥미롭게도 그 중간급에 속하는 블랙홀은 거의 발견되지 않았다. 한마디로 우주의 블랙홀이 작거나 크거나 ‘모아니면 도’로 존재하는 것도 이유지만 그만큼 찾아내기 힘든 것도 큰 원인이다.



그러나 지난 2012년 호주 연방과학산업연구기구(CSIRO)가 지구에서 3억 광년 떨어진 ESO-243-49 은하 중심부에서 질량이 우리 태양의 약 2만 배로 추정되는 중간급 질량의 블랙홀을 처음으로 발견한 바 있다

- 초질량 블랙홀, 다가온 별 잡아먹는 모습 관측 　

강력한 중력으로 빛 조차도 흡수한다는 블랙홀에 거대한 별이 가까이 접근한다면 어떤 현상이 발생할까?
지난 10월 미국 미시간 대학 등 국제공동연구팀은 블랙홀이 별을 찢어 흡수하는 현상을 관측해 이를 분석한 연구결과를 세계적인 과학지 ‘네이처’(Nature)에 발표했다.
　
이제는 영화로도 익숙해진 블랙홀은 대부분의 은하 중심부에 존재한다. 연구팀의 관측대상에 오른 지역은 지구로부터 2억 9000만 광년 떨어진 곳에 위치한 은하 PGC 043234 중심부에 놓인 초질량 블랙홀(ASASSN-14li)이다.




연구팀은 NASA의 찬드라 X-레이 우주망원경과 스위프트 위성, 유럽우주국(ESA)의 XMM-뉴턴(XMM-Newton)망원경을 동원해 문제의 지역을 관측한 결과 가깝게 접근한 별을 블랙홀이 쭉 빨아들이는 일명 ‘조석 분열’(tidal disruption) 현상을 관측하는데 성공했다.

- ‘블랙홀’이 별을 통째로 ‘꿀꺽’ 첫 관측　



지난달 천문학자들로 이루어진 다국적 팀이 블랙홀이 별을 통째로 꿀꺽하고는 트림처럼 고속 플라스마를 우주공간으로 방출하는 현장을 목격했다. 이 거대한 에너지의 흐름은 우리 태양이 1000만년 동안 생산하는 에너지와 맞먹는 것으로 보인다.
문제의 블랙홀은 지구로부터 3억 광년 떨어진 PGC 43234 -300이라는 은하 중심에 똬리를 틀고 있는 것으로, 우리 태양 질량의 100만 배 정도지만, 초질량의 블랙홀에 비한다면 비교적 경량급에 속하는 것이다. 하지만 엄청난 중력을 갖고 있어 우리 태양 정도 크기의 별 하나 정도는 떡 먹듯이 먹어치울 수 있다.

박종익 기자 pji@seoul.co.kr