퀘이사 OJ287에서 서로 공전하는 두 블랙홀. 아래쪽 2개의 점은 두 블랙홀에서 나오는 전파 방출이고, 맨위쪽 점은 더 작은 블랙홀의 물질 제트(왼쪽 도표의 점선)다. 투르쿠대 제공


천문학자들이 블랙홀을 사진에 담는 데 처음으로 성공한 때는 2019년이었다. 지구 각지의 전파망원경 8대로 이뤄진 사건지평선망원경(EHT)을 이용해 약 5350만광년 떨어진 타원 은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀(SMBH)을 포착했다. 이어 2022년에는 우리 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 궁수자리A*의 사진을 얻는 데 성공했다.
천문 골드몽 학자들이 이번엔 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀을 촬영하는 데 성공했다. 중력으로 서로 묶인 두개의 블랙홀이 실제 이미지로 포착된 건 처음이다.
블랙홀이란 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나올 수 없는 초고밀도 천체를 가리킨다. 일반적으로 태양보다 훨씬 큰 별이 핵융합 에너지를 소진하고 붕괴하는 과정에서 초신성 폭발을 일으킨 뒤 생성된다. M 백경릴게임 87은하 중심의 블랙홀은 태양 질량의 65억배, 우리은하의 중심의 궁수자리A* 블랙홀은 태양 질량의 400만배다. 그러나 블랙홀은 부피가 0에 가까운 특이점(singularity) 상태라서 일반 천체처럼 물리적 표면이 없다. 대신 ‘사건 지평선’이라는 개념적인 경계가 존재한다.



바다이야기합법 퀘이사 OJ287의 두 블랙홀이 서로를 공전하는 모습을 묘사한 그림. 작은 블랙홀은 태양 질량의 1억5천만배, 큰 블랙홀은 태양 질량의 183억5천만배다. 미국천문학회(AAS 2018)


태양 질량의 180억배와 1억5천만배
핀란드 투르쿠대가 중심이 된 국제 연구진은 지구에서 바다이야기5만 50억광년 떨어진 거리에 있는 퀘이사 ‘OJ 287’에서 짝을 이루고 있는 두개의 블랙홀에 대한 전파 이미지를 촬영하는 데 성공해 국제학술지 천체물리학저널에 발표했다. 2019년 처음으로 블랙홀 이미지가 공개된 이후 지금까지 촬영한 것들은 모두 단일 블랙홀이었다.
퀘이사(Quasar)란 블랙홀이 주변 물질을 집어삼킬 때 그 에너지에 의해 릴박스 형성되는 거대 발광체를 말한다. 퀘이사 중심에는 태양 질량의 10억배가 넘는 블랙홀이 있다.
과학자들은 퀘이사 ‘OJ 287’의 빛 밝기가 12년 주기로 변하는 점을 들어, 오래전부터 이 퀘이사 안쪽에서 두개의 블랙홀이 공전하고 있을 것으로 생각했다.
19세기에 처음 발견된 이 퀘이사는 지구~태양 거리의 300조배가 넘는 거리에 있지만 아마추어 천문가도 관측할 수 있을 만큼 매우 밝다. 그러나 당시 천문학자들은 또 하나의 별이라고 생각했지 블랙홀이나 퀘이사의 존재는 상상할 수 없었다.
이 천체가 주목을 받기 시작한 건 1982년 투르쿠대 대학원생 아이모 실란패가 천체의 밝기가 12년 주기로 변한다는 사실을 발견하고나서부터다. 이후 과학자들은 빛이 주기적으로 변하는 이유는 두개의 블랙홀이 서로 공전하기 때문이라고 보고 퀘이사를 추적해왔다.
그러다 4년 전 나사의 외계행성 탐사 위성 테스(TESS)의 관측 데이터를 통해 두 블랙홀의 존재를 탐지하는 데 성공했다. 하나는 태양 질량의 183억5천만배, 다른 하나는 태양 질량의 1억5천만배였다. 큰 블랙홀은 커다란 강착 원반에 둘러싸여 있고, 작은 블랙홀은 12년 공전 주기 동안 이 원반에 두 번 충돌하면서 밝은 빛을 뿜어낸다.
하지만 해상도가 높지 않아 두 블랙홀은 하나의 점으로만 보였다. 두 블랙홀의 존재를 각각 확인하려면 해상도가 10만배 더 높은 전파망원경 데이터가 필요했다.



태양계에 대한 은하 OJ 287의 블랙홀 크기. 태양 질량의 180억배인 큰 블랙홀(왼쪽)은 태양계 가장 바깥 행성 궤도보다 훨씬 더 크고, 태양 질량의 1억5천만배인 작은 블랙홀(오른쪽)은 목성 궤도 바로 안쪽에 있는 소행성대 크기만 하다. http://www.spitzer.caltech.edu/images/6796-ssc2020-11b-Sizes-of-Black-Holes-in-Galaxy-OJ-287-Relative-to-the-Solar-System


1만년 후에는 하나로 합쳐질 듯
연구진은 2019년까지 관측 활동을 했던 러시아의 우주 전파망원경 위성인 라디오아스트론이 남긴 초고해상도(12마이크로초각) 데이터에서 이 문제의 해법을 찾아냈다.
이 위성은 지상의 전파망원경들과 연결돼 우주 기반의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 망원경 시스템으로 작동했다. 전파간섭계 기술은 서로 멀리 떨어진 전파망원경들을 이용해 같은 천체를 동시에 관측한 뒤 데이터를 합쳐, 마치 해당 거리의 구경을 가진 망원경이 관측한 것과 같은 효과를 내는 것을 말한다. 망원경 사이의 거리가 수백km 이상 떨어져 있는 경우를 초장기선 전파간섭계라고 부른다. 지구에서 최대 35만km 떨어진 궤도를 돌았던 라디오아스트론 위성은 이 기술을 이용해 지구~달 거리의 절반인 19만km 길이의 가상 전파망원경 시스템을 구축할 수 있었다.
연구진은 이 시스템이 2014년 작성한 전파 지도에서 ‘OJ 287’ 데이터를 찾아내 이미지를 추출하는 데 성공했다. 이렇게 해서 얻은 사진은 40년 동안 풀리지 않았던 의문, 즉 블랙홀 쌍의 존재를 확인해줬다. 논문 주저자인 마우리 발토넨 교수는 “서로 다른 위치에 있는 두 개의 블랙홀에서 강력한 입자 제트를 방출하는 걸 식별할 수 있었다”고 말했다.
블랙홀에서 나오는 제트는 두 종류였다. 하나는 작은 블랙홀에서 나오는 것으로 정원 호스처럼 휘어져 있었다. 작은 블랙홀이 큰 블랙홀 주위를 빠르게 움직이며 꼬리를 흔드는 듯한 형태의 제트가 방출됐다. 연구진은 작은 블랙홀이 앞으로 몇년 안에 속도와 방향을 바꿔 여러 방향으로 휘어지는 모습을 볼 수 있을 것으로 예상했다.
과학자들은 두 블랙홀은 중력 상호작용에 의해 앞으로 1만년 안에 합쳐질 가능성이 큰 것으로 본다.
*논문 정보
Identifying the Secondary Jet in the RadioAstron Image of OJ 287.
DOI 10.3847/1538-4357/ae057e
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr 기자 admin@119sh.info