최근 천체 관측 기술의 진보는 눈부셔서, 최신 관측 장치와 우주 망원경 덕분에 매우 멀고 옛날의 우주 모습을 관측할 수 있게 되었습니다. 그렇게 보게 된 오래된 우주에는 초대형 블랙홀들이 여기저기 존재하며, 주변 물질을 빨아들이거나 가열하거나 빛나게 하고 있습니다.
여기서 천문 연구자들은 당황했습니다. 이 초대형 블랙홀은 대체 어디서 나왔을까요? 무엇을 부모로 삼아 우주에 태어난 걸까요?
우주물리학의 점점 깊어지는 수수께끼, 초대형 블랙홀의 탄생 비밀에 대해 최신 연구 결과를 몇 가지 설명하겠습니다.
아직 8억 년도 지나지 않았다
2024년 6월 17일(협정 세계시), 독일 하이델베르크 대학의 사라 보스만 박사 연구 그룹이 제임스 웹 우주 망원경을 사용해 퀘이사 "J1120+0641"을 관측한 결과를 발표했습니다
퀘이사는 질량이 태양의 수십만 배에서 수백억 배에 이르는 초대형 블랙홀로, 주변 물질을 그 강력한 중력으로 빨아들이는 것입니다. 빨아들인 물질의 에너지로 인해 퀘이사(의 근처)는 밝게 빛나며, 고온 가스의 흐름을 강하게 내뿜습니다. 그 때문에 퀘이사는 매우 밝은 천체로 관측됩니다.
퀘이사 J1120+0641은 약 300억 광년이라는 초원거리에 있습니다. 먼 거리에서 우리에게 빛이 도달한다는 것은 그 빛이 매우 먼 과거에 발해진 것을 의미합니다. 현재 보이는 이 퀘이사의 모습은 130억 년 전, 우주가 생겨난 지 아직 8억 년도 지나지 않은 때의 것입니다.
"아직 8억 년도 지나지 않았다"고 하면 빠른 건지 느린 건지 혼란스러울 수 있지만, 이는 상당히 오래된 것입니다. "보통"의 퀘이사는 우리로부터 100억 광년 이내에 위치해 있으며, 그 모습은 우주가 50억 년 이상 되었을 때의 것입니다. 정확한 비유는 아니지만, 보통의 퀘이사가 50세 이상이라면, 이 J1120+0641은 8세 미만이라는 것입니다.
이 우주 초기의 어린 퀘이사 J1120+0641을 관측한 결과, 퀘이사의 특징으로 여겨지는 "핫 토러스"나 "브로드 라인 영역"이라는 구조는 이미 완성되어 있으며, 질량도 상당히 거대하게 성장한 것으로 밝혀졌습니다. 무려 태양 질량의 15억 배입니다.
즉, 우주가 생겨난 지 8억 년 만에 퀘이사는 이미 성숙하여 수십억 년 후의 우주에서 보이는 보통의 퀘이사와 똑같았다는 것이 보스만 박사 등의 발표입니다.
이 발표는 어디가 놀라운 걸까요? 옛 퀘이사가 예상보다 빨리 성숙하면 안 되는 것일까요?
이 연구 결과의 문제는 우주의 초기부터 퀘이사가 있었다면 초대형 블랙홀은 언제 어떻게 태어났는지 설명할 수 없다는 것입니다. 이것은 현대 천문학의 미해결 문제입니다.
현대 천문학의 미해결 블랙홀
우주 저편에 빛나는 은하는 중심에 초대형 블랙홀을 품고 있습니다. 그런 초대형 블랙홀은 언제 탄생하여 어떻게 그토록 거대하게 성장했을까요?
최근에는 ALMA 망원경이나 제임스 웹 우주 망원경 등의 고성능 관측 장치 덕분에, 이제껏 생각하지 못한 아주 먼 은하들이 발견되고 있습니다. 가장 먼 은하를 찾는 경쟁은 치열하며, 제임스 웹 우주 망원경의 최신 데이터에는 세계의 연구팀이 몰려들어, 먼 천체 탐색을 벌이고 있습니다.
지금 이 순간에도 최원 은하의 우주 기록은 갱신되고 있어, 글을 쓰는 동안 정보가 낡아버리지만, 우주가 겨우 2억 살이며, 아직 현재 크기의 18분의 1밖에 되지 않았던 때의 은하 보고도 있습니다.
은하가 발견되면 반드시 중심의 초대형 블랙홀도 확인할 수 있는 것은 아니지만, 확인된 고대 초대형 블랙홀은 모두 성숙한 것들뿐입니다.
보스만 박사 등의 퀘이사 J1120+0641 관측에 의해, 이 수수께끼는 풀리기는커녕 더욱 깊어졌습니다.
이 미해결 과제를 해결하기 위해, 관측이나 이론적 연구가 활발하게 이루어지고 있는 것이 현재의 천문학 상황입니다.
고향은 구상성단?
아직 불명확한 초대형 블랙홀을 만드는 방법으로는, 지금까지 여러 가설이 제안되었습니다.
비교적 유망한 것으로 여겨지는 설은 처음부터 꽤 큰(태양 질량의 1만 배 정도의) 블랙홀이 씨앗이 되었다는 설과, 처음에는 작았던 블랙홀이 주변 물질을 한계 이상으로 빨아들여 성장했다는 설입니다.
이 중 전자의 시나리오를 지지하는 이론 연구나 관측 결과가 최근 나오기 시작했습니다.
먼저 이론 연구입니다. 2024년 5월 30일, 도쿄 대학 이학부의 후지이 미치코 준교수 등이 태양의 1만 배라는 초대질량 항성이 태어나는 과정을 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현했다고 발표했습니다
'구상성단'이라는 약 10만 개의 항성 집단이 은하수 은하나 다른 은하의 여기저기에 떠 있습니다. 망원경으로 보면 그 이름처럼 항성의 구형 집단입니다.
구상성단의 탄생 시에는, 구상성단 내의 가스에서 무수한 항성이 만들어졌습니다. 이 생성 시의 모습을 천체 계산용 슈퍼컴퓨터 '아테루이 II'를 사용해 시뮬레이션으로 조사한 결과, 항성끼리 부딪쳐 태양의 1만 배 정도의 초대질량 항성이 형성될 가능성이 발견된 것입니다.
이런 초대질량 항성은 곧 특대 초신성 폭발을 일으켜 태양의 수천 배의 '중간질량 블랙홀'이 될 것으로 예상됩니다. 이를 어떻게든 구상성단에서 은하 중심으로 옮겨, 중간질량 블랙홀끼리 합체시키거나 주변 물질을 흡수하게 하여 초대형질량 블랙홀이 설명될 수 있을지도 모릅니다.
드디어 발견된 중간질량 블랙홀?
그리고 관측에서도 구상성단에 중간질량 블랙홀이 있다는 증거가 나오기 시작했습니다.
2024년 7월 10일, 독일 막스 플랑크 천문연구소의 막시밀리안 헤베르 박사 연구팀이 '오메가 켄타우리', 별명 '오메가 성단'이라는 구상성단을 정밀하게 조사한 결과, 태양 질량의 8200배에 이르는 블랙홀이 존재하는 것 같다고 발표했습니다(※3). 사실이라면, 드디어 세계 최초로 중간질량 블랙홀의 발견입니다.
헤베르 박사가 소속된 'oMEGACat 프로젝트'는 허블 우주 망원경의 관측 데이터를 조사해, 오메가 켄타우리의 항성이 고속으로 운동하고 있음을 밝혀냈습니다. 그중에는 시속 100km 이상으로 움직이는 것도 있습니다.
천체의 운동은 그 천체를 잡아두고 있는 중력의 강도를 나타냅니다. 강력한 중력에 잡힌 천체는 그 중력원을 고속으로 공전하기 때문에, 그 중력원의 질량을 추정할 수 있습니다.
허블 우주 망원경의 운영 기간은 길고, 지난 20년 동안의 데이터가 축적되어 있습니다. 20년에 걸친 오메가 켄타우리의 500장의 촬영 데이터는 애니메이션처럼, 또는 빠른 장면의 만화처럼 항성의 운동을 보여줍니다.
허블 우주 망원경은 제임스 웹 우주 망원경 같은 최신 장치만큼의 성능은 없지만, 오랫동안 활약한 베테랑 기기여서, 이런 연구에 강점을 발휘할 수 있습니다.
그렇게 조사한 결과, 오메가 켄타우리에는 전자기파로 관측할 수는 없지만 중간질량 블랙홀이 숨어 있는 것이 밝혀졌습니다. 세계 최초의 중간질량 블랙홀의 발견입니다.
이것으로 수수께끼는 풀렸는가?
과연 구상성단은 중간질량 블랙홀의 고향일까요? 이것으로 "초대형 블랙홀은 어디에서 왔는가" 문제는 해결된 걸까요?
이 시나리오가 진실이라면, 초기 구상성단에서는 태양의 1만 배라는 엄청난 초대형 항성이 큰 초신성 폭발을 일으켜 중간질량 블랙홀을 대량 생산하고 있었던 셈입니다. 어떤 폭발일지(멀리서) 보고 싶네요.
그러나 이 시나리오에는 증명되지 않은 부분이 아직 많습니다. 컴퓨터 상에서 만들어졌거나 이번에 오메가 켄타우리에 발견된(것 같은) 블랙홀은 태양 질량의 1만 배에 미치지 못하며, 초대형 블랙홀의 씨앗이 되기에는 조금 작아 보입니다. 또한, 구상성단에서 은하 중심으로 블랙홀이 순조롭게 이동할 수 있을까요? 그 이동 속도는 관측된 초대형 블랙홀의 탄생 시기를 설명할 수 있을까요?
어쨌든, 오랫동안 우주물리학의 풀리지 않는 수수께끼였던 초대형 블랙홀의 탄생 비밀도, 최근의 관측 장치와 고성능 계산기에 의해, 마침내 베일이 조금씩 벗겨진 것일지도 모릅니다. 잇따라 도착하는 최신 관측 장치의 결과를 주목하며 기다려봅시다.