‘수백만 년 전 우리은하 블랙홀 왕성한 활동’ 흔적 발견

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이정환의 ‘우주★천문 뉴스 파일’

관측과 분석 기술이 발전하면서 우리의 근원적 호기심을 자극하는 우주와 천문학의 새로운 연구 소식들이 잇따릅니다. 천문학을 공부하는 대학원생 이정환 님이 우주·천문 분야의 흥미로운 최근 소식을 간추려 독자들께 전해줍니다.


    거대 질량 블랙홀의 폭식이 남긴 거대 구조, ‘페르미 버블’



1.jpg » 별 질량 블랙홀(stellar mass black hole)과 블랙홀 주변에 있는 동반성(companion star)의 상상도. 블랙홀이 동반성의 물질을 끌어당기면 끌려온 물질들은 블랙홀 주변을 회전하면서 강착 원반(accretion disk)을 만든다. 블랙홀의 ‘사건의 지평선(event horizon)’ 안쪽은 중력이 너무 강해서 빛조차도 빠져나올 수 없는 영역이다. 출처/ Southern Utah Space Foundation

 


“빙하들은 깊은 밤 속으로 녹아들어가고 (Glaciers melting in the dead of night)

큰 별들은 거대한 블랙홀에 빨려 들어가 (And the superstars sucked into the supermassive)”


세계적인 록 밴드 ‘뮤즈’의 4집 수록곡 ‘거대 질량 블랙홀(Supermassive Black Hole)’의 가사입니다. 우리가 상상하는 일반적인 블랙홀은 빛을 포함해 모든 것을 빨아들이는 죽음의 천체입니다. 노래 가사에는 그 공포의 블랙홀에다 ‘거대 질량(supermassive)’이라는 수식어까지 붙었으니, 정말 섬뜩한 천체가 아닐 수 없습니다. 그런데 우주에는 실제로 일반적인 블랙홀의 위력을 훨씬 뛰어넘는 ‘거대 질량 블랙홀’이 있습니다.


은하 중심에 있는 괴물, 거대 질량 블랙홀

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블랙홀에는 크게 두 종류가 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 블랙홀은 무거운 별이 최후를 맞으면서 생겨나는 블랙홀입니다. 태양 질량의 10배 이상 무거운 별은 일생의 마지막 단계에서 별 중심부가 점점 수축하면서 단위면적당 중력이 강해집니다. 그러다가 마침내 빛조차도 빠져나오지 못할 만큼 중력이 강해지면 블랙홀이 되는 것이죠. 천문학에서는 이를 ‘별 질량 블랙홀(stellar mass black hole)’이라고 합니다. 이들은 보통 태양 질량의 10-100배 정도의 질량을 지닙니다. 2015년 라이고(LIGO, 레이저 간섭계 중력파 관측소)가 중력파를 검출해 낸 대상도 쌍둥이 별 질량 블랙홀로, 각각의 질량은 태양 질량의 36배, 29배였습니다.


‘우주의 괴물’이라 불리는 거대 질량 블랙홀은 별 질량 블랙홀에 비해 훨씬 더 무거운 블랙홀입니다. 거대 질량 블랙홀의 질량은 태양 질량의 약 100만 배에서 100억 배에 달합니다. 별 질량 블랙홀과는 비교조차 안 될 정도로 질량이 매우 큰 블랙홀이죠. 태양 질량의 10억 배가 넘는 거대 질량 블랙홀은 한 은하 전체의 질량과도 맞먹을 정도입니다. 이처럼 은하 전체에서 가장 무거운 천체인 거대 질량 블랙홀은 주로 은하의 중심에 위치하는 경우가 많습니다.


별 질량 블랙홀과 마찬가지로, 거대 질량 블랙홀은 엄청난 중력으로 은하 중심의 별, 성간가스, 먼지 등을 끌어당깁니다. 이렇게 블랙홀의 중력에 이끌려 온 물질들은 블랙홀 가까이에서 매우 빠른 속도로 회전하면서 원반 모양의 구조를 형성합니다. 이를 ‘강착 원반(accretion disk)’이라고 합니다. 강착 원반을 구성하는 물질들은 충돌에 의해 온도가 매우 높아지면서 엑스(X)선 제트(jet, 레이저처럼 한 방향으로 강하게 방출되는 에너지의 흐름)를 방출하거나 강한 전파(radio wave)를 냅니다. 이러한 방출 메커니즘 덕분에 우리는 엑스선과 전파를 이용하여 거대 질량 블랙홀의 존재를 알아낼 수 있었습니다.


2.jpg » 은하 중심에 위치한 거대 질량 블랙홀의 상상도. 그림에서 볼 수 있듯이 거대 질량 블랙홀에서는 강착 원반에 수직한 방향으로 강력한 X선 제트나 전파가 방출된다. 출처/ NASA JPL - Caltech



우리은하 중심의 거대 질량 블랙홀 ‘궁수자리 A*’

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우리은하의 중심에도 거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 천문학자들이 거대 질량 블랙홀의 존재를 처음 예측했던 곳도 바로 우리은하 중심이었습니다.


1974년 브루스 발리크(Bruce Balick)와 로버트 브라운(Robert Brown)은 그린 뱅크 전파 간섭계(Green Bank radio interferometer)라는 관측 장비를 이용하여 궁수자리(Sagittarius) 방향(우리은하 중심 방향)을 관측하였습니다. 그 결과 우리은하 중심에서 전파 신호를 강하게 방출하는 천체를 발견할 수 있었습니다. 이 천체는 주기적으로 전파 신호를 내는 천체로 알려진 펄서(pulsar, 무거운 별이 외피에 있는 물질들을 날려 보내고 중성자들만 수축하여 남은 중성자별)보다도 100배 이상 강한 전파 신호를 보이고 있었습니다. 일반적인 전파 방출원보다 신호가 훨씬 강했기 때문에 천문학자들은 이 천체를 매우 무거운 블랙홀로 예상하였습니다. 그리고 이 의문의 천체를 ‘궁수자리 A*(Sagittarius A*)’로 이름 지었습니다.


3.jpg » 허블 우주 망원경과 찬드라 엑스선 망원경이 촬영한 우리은하 중심의 거대 질량 블랙홀 궁수자리 A*의 합성 사진. 사진의 푸른색은 엑스선 방출 지역을, 붉은색은 적외선 방출 지역을 나타낸다. 오른쪽 상단의 확대된 사진에는 매우 작은 크기의 천체에서 강한 엑스선이 방출되고 있는 모습을 볼 수 있다. 출처/ NASA


후 1990년대부터는 독일의 막스플랑크 연구소 팀을 중심으로 궁수자리 A* 주변 별들의 운동을 관측하였습니다. 궁수자리 A* 주변을 움직이는 천체들의 속도와 방향을 통해 궁수자리 A*의 질량을 정확하게 측정하려는 시도였습니다. 궁수자리 A*의 정확한 질량과 크기를 알면 이 천체가 정말 거대 질량 블랙홀이 맞는지 판단할 수 있기 때문입니다.


궁수자리 A*와 가까운 별들의 움직임을 약 10여 년간 관측한 결과, 별들이 궁수자리 A*를 중심으로 궤도 운동을 하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한, 궁수자리 A*의 질량은 태양 질량의 약 430만 배로 추정되었는데, 그 질량은 불과 3 천문단위(AU, 지구-태양 사이의 거리를 ‘1 천문단위’로 나타낸 거리의 척도)도 되지 않는 작은 공간에 분포하고 있었습니다. 궁수자리 A*가 만약 블랙홀이 아니라 아주 조밀한 성단(별의 모임)이라면, 태양에서 목성 사이의 공간 정도에 태양과 같은 별이 400만 개 이상 있어야 하는 비현실적인 상황이었습니다. 그러므로 궁수자리 A*는 빽빽한 성단이 아니라 아주 무거운 ‘거대 질량’ 블랙홀이어야만 한다는 결론이 나왔습니다.


4.jpg » 은하 중심의 궁수자리 A*가 수많은 별들의 집합으로 이루어졌을 경우(가)와 하나의 거대 질량 블랙홀일 경우(나), 주변 천체의 움직임을 예상하여 나타낸 그림. (가)의 경우 중력원(原)이 하나가 아니기 때문에 울퉁불퉁한 운동 궤적을 보여주지만, (나)의 경우는 하나의 중심을 도는 궤도 운동을 보여준다. 수년간 궁수자리 A* 주변의 별들을 관측한 결과는 (나)의 운동 궤적을 보여주었다. 그래서 궁수자리 A*가 거대 질량 블랙홀임이 밝혀졌다. 출처/ Youtube SpaceRip 채널



궁수자리 A*의 활동시기를 알려준 페르미 버블

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앞서도 언급하였듯 거대 질량 블랙홀은 주변 물질을 빨아들이면서 엑스선이나 전파를 방출합니다. 그런데 거대 질량 블랙홀의 활동성은 블랙홀로 유입되는 물질의 양에 따라 차이를 보입니다. 거대 질량 블랙홀이 빨아들이는 물질의 양이 많으면 강한 엑스선이나 전파 제트를 방출하며 활동적인 모습을 보입니다. 어떤 경우에는 무거운 별이 블랙홀로 빨려 들어가면서 블랙홀의 엑스선의 밝기가 갑자기 수백 배 이상 밝아지는 변광(變光) 현상도 일어납니다. 반면 거대 질량 블랙홀이 있어도 빨아들이는 물질의 양이 적다면, 제트나 변광 현상이 일어나지 않고 조용한 모습을 보입니다.


궁수자리 A*는 우리은하의 거대 질량 블랙홀이기는 하지만 활동성이 그리 강한 편은 아닙니다. 엑스선과 전파 등을 방출하긴 하지만 강한 제트가 관측된다거나 밝기 변화의 폭이 큰 변광 현상도 일어나지 않습니다. 다시 말해 궁수자리 A*는 현재 빨아들이는 물질의 양이 많지 않습니다.


지만 거대 질량 블랙홀 궁수자리 A*가 폭발적으로 물질을 빨아들이던 시기가 있었다는 증거가 발견되었습니다. 바로 ‘페르미 버블(Fermi bubble)’이라는 거대 구조입니다. 페르미 버블은 2010년 페르미 감마선 우주 망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)에 의해 처음으로 발견되었습니다. 페르미 버블은 매우 밀도가 낮은 데다 가시광선 영역에서는 거의 빛을 내지 않기 때문에, 우리 눈에는 보이지 않아 이전에는 발견할 수 없었습니다.


우리은하 원반에서 수직 방향 위아래로 약 5만 광년에 걸쳐 길게 뻗어 있는 페르미 버블은, 가시광선 대신 파장이 더 짧은 엑스선과 감마선(gamma-ray)을 방출하는 입자들로 이루어져 있습니다. 입자들의 온도도 100만 도 이상으로 매우 높은 에너지 상태를 가지고 있습니다.


5.jpg » 엑스선과 감마선을 방출하는 페르미 버블(Fermi bubble)의 모습. 은하 원반면에 수직한 방향으로 약 5만 광년에 걸쳐 분포하고 있으며, 온도가 100만 도 이상인 고에너지 입자들로 이루어져 있다. 페르미 버블의 발견 이후 버블의 기원과 형성 과정에 대해 많은 가설들이 있었다. 출처/ NASA's Goddard Space Flight Center

페르미 버블은 매우 놀라운 발견이었습니다. 우리은하는 은하 원반면을 벗어나면 천체의 밀도가 희박해집니다. 이렇게 별도 성단도 적은 곳에, 고(高)에너지 상태의 입자들이 거대한 구조를 이루고 있다는 사실은 이전에는 상상하기 어려웠습니다. 게다가 성분 분석 결과 규소(Si), 알루미늄(Al)과 같은 금속 원소들이 많아 더욱 궁금증을 자아냈습니다. 금속 원소들은 무거운 별만 만들어 낼 수 있는 것인데 별이 거의 없는 곳에 어떻게 많은 양의 금속 원소가 존재할 수 있었을까요?


난 3월 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀에서는 페르미 버블이 우리은하의 거대 질량 블랙홀 궁수자리 A*가 ‘폭식’한 흔적이라고 설명하였습니다.


이 연구팀은 허블 우주 망원경의 분광 자료를 분석하여 페르미 버블의 나이를 추정하였습니다. 그 결과 얻어낸 페르미 버블의 나이는 약 600만 년에서 900만 년 정도였습니다. 이는 우리은하의 나이(약 120억 년 이상)와 큰 차이를 보이기 때문에, 페르미 버블은 원래 우리은하에 존재하던 구조가 아니라 우리은하 천체의 어떤 강력한 활동으로 인해 생겨났으리라고 예측되었습니다. 그렇게 은하 전체의 크기와 맞먹을 정도로 거대한 구조를 만들 수 있는 천체는 거대 질량 블랙홀, 궁수자리 A*밖에 없었습니다.


MIT 연구팀의 설명에 따르면, 궁수자리 A*가 약 600-900만 년 전 폭발적으로 주변 물질을 빨아들였습니다. 그 과정에서 블랙홀의 강착 원반을 돌며 뜨거워진 물질들이 우리은하 원반에 수직한 방향으로 빠져나가면서 페르미 버블이 만들어지기 시작했습니다. 이후 궁수자리 A*의 활동이 약해지면서, 더 이상 페르미 버블에 물질들이 유입되지 않아 지금과 같이 밀도가 낮은 거대 구조가 형성되었습니다. 즉, 우리은하의 거대 질량 블랙홀 궁수자리 A*는 지금은 조용한 블랙홀이지만 약 600-900만 년 전에는 활발하게 활동하던 거대 질량 블랙홀이었던 것입니다.



외부은하들의 거대 질량 블랙홀은?

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궁수자리 A* 연구 이후 외부은하 분야에서도 거대 질량 블랙홀 연구가 활발해졌습니다. 이제 천문학자들은 거의 모든 은하들 중심에 거대 질량 블랙홀이 존재할 것이라고 추측합니다.


하지만 거대 질량 블랙홀의 활동성은 은하마다 다릅니다. 예를 들어 퀘이사나 거대 타원 은하 M87(처녀자리 은하단)의 경우, 거대 질량 블랙홀이 폭발적으로 주변 물질을 빨아들이면서 매우 강한 전파 제트를 방출하고 밝기가 주기적으로 변하기도 합니다. 하지만 같은 거대 타원 은하라도 NGC 4889 은하(머리털자리 은하단)의 경우 별다른 활동을 보이지 않습니다.


렇게 차이를 보이는 은하들의 페르미 버블을 관측할 수만 있다면, 거대 질량 블랙홀의 활동성에 따라 버블 구조에 어떤 변화가 있을지도 살펴볼 수 있을 것입니다. 또한 거대 질량 블랙홀의 활동 메커니즘 자체에 대해 좀 더 자세하게 알 수 있을지도 모릅니다.


매번 느끼는 것이지만 가시광선이 아닌 다른 파장으로 우주를 관측하는 것은 또 다른 눈을 얻는 것과 같습니다. 페르미 버블 또한 엑스선과 감마선 관측이 아니었다면 발견해 낼 수 없었을 것이고, 거대 질량 블랙홀의 활동 역사에 대해서도 알기 어려웠을 것입니다. 우주에서 가장 ‘힘이 센’ 거대 질량 블랙홀을 천문학자들이 앞으로 어떻게 알아가게 될지 궁금합니다.


6.jpg » 지구에서 약 5000만 광년 떨어진 처녀자리 은하단(Virgo Cluster)의 거대 타원 은하 M87의 모습. 이 은하는 거대 질량 블랙홀에서 강한 제트(오른쪽 그림의 푸른색)를 방출하는 것으로 유명하다. 출처/ NASA and the Hubble Heritage Team
7.jpg » 지구에서 약 3억 광년 떨어진 머리털자리 은하단(Coma Cluster)의 거대 타원 은하 NGC 4889의 모습. 이 은하의 거대 질량 블랙홀은 태양 질량의 약 200억 배로 가장 무거운 거대 질량 블랙홀 중의 하나이지만, 활발한 활동을 보이지는 않는다. 출처/ NASA & ESA


[참고]


Hubble solves the mystery bulge at the center of the Milky Way. Astronomy Magazine, 9 Mar 2017

  http://astronomy.com/news/2017/03/fermi-bubbles

Hubble dates black hole's last big meal. Phys.org, 9 Mar 2017

  https://phys.org/news/2017-03-hubble-dates-black-hole-big.html

Bordoloi, R. et al., 2017, ApJ, 834, 191

The Fermi telescope discovers giant structure in our galaxy. Astronomy Magazine, 10 Nov 2010

  http://astronomy.com/news/2010/11/giant-structure-in-our-galaxy

우주의 괴수 거대질량 블랙홀, 네이버 캐스트, 임명신

  http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=11384

The relationship between black holes and galaxies. Cosmotography.com

  http://www.cosmotography.com/images/supermassive_blackholes_drive_galaxy_evolution_2.html

Cosmic Journeys - Supermassive Black Hole at the Center of the Galaxy, SpaceRip, 27 Aug 2015

  https://youtu.be/XwkMCHf516s

Gross, W. et al., 2003, arXiv:0305074v1

Gillessen, S. et al., 2009, ApJ, 692, 2

Bower, G. et al. 2014, ApJ, 790, 1

What Are Fermi Bubbles? louisdelmonte.com, 6 Apr 2015

  http://www.louisdelmonte.com/what-are-fermi-bubbles/


이정환 서울대 물리천문학부 석박사통합과정   

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이정환 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정(천문학) 대학원생
이제 막 천문학의 바다를 항해하기 시작한 대학원생입니다. 아직 내공이 부족하지만 앞으로 연구도 잘하고 싶고 글도 잘 써보고 싶은 욕심 많은 과학도입니다.
이메일 : joungh93@gmail.com      
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