왜소은하 속 '작은 블랙홀' 최초 발견…'블랙홀 기원 단서'

왜소은하 NGC 4395과 은하 중심의 블랙홀© 뉴스1

우종학 서울대 교수·국외공동연구진, 네이처 아스트로노미 게재
기존 블랙홀 100억분의1 수준…입증 어려운 '중간질량'

(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 그간 알려진 블랙홀보다 100억분의1정도 질량에 불과한 '작은 블랙홀'이 국내 연구진에 의해 최초로 확인됐다. 블랙홀 자체가 관측이나 존재 입증이 쉽지 않지만, 그나마 인간에게 발견되는 것은 '거대 블랙홀'인데, 이번에 처음으로 거대 블랙홀보다 훨씬 규모가 작은 '중간질량 블랙홀'의 존재가 입증된 것이다.

우종학 서울대 물리·천문학부 교수가 이끄는 국제공동연구팀은 지구로부터 1400만광년 떨어진 왜소은하 'NGC 4395' 중심에서 빛의 메아리 효과를 측정해 중간질량 블랙홀을 확인했다고 10일 밝혔다.

거대한 은하 중심에는 블랙홀이 존재한다. 대부분의 블랙홀은 태양보다 100만배~100억배에 달하는 무거운 질량을 가져 '거대질량 블랙홀'이라고 불린다.

최근 그림자가 관측된 은하 'M87' 중심 블랙홀도 태양질량의 66억배가 넘는 거대질량 블랙홀이었다.

하지만 이보다 작은 '중간질량 블랙홀'에 대한 존재여부는 논란이 많았다. 블랙홀의 질량이 작을수록 중력이 미치는 공간도 작아져 블랙홀 주변 가스나 별의 운동을 측정하기 어렵기 때문에 이같은 논란은 끊임없이 제기됐다.

연구팀은 왜소은하 'NGC 4395'를 목표로 삼고 빛의 메아리 효과로 블랙홀 질량을 측정했다. 빛의 메아리는 블랙홀로 빨려들어가는 빛이 블랙홀 주변을 회전하는 가스구름에 반사되는 효과다.

회전하는 가스구름은 수소 등의 원소가 내는 특정한 파장의 빛을 관찰하는 데, 연구진은 가장 강력하게 뿜어져 나오는 방출선에 주목했다.

이 빛은 블랙홀 강착원반에서 나온 빛인 연속선보다 늦게 지구에 도착한다. 이처럼 연속선과 방출선 사이에 시간차로 블랙홀의 규모를 추정할 수 있다.

우 교수는 "두 빛이 지구에 도달하는 시간차를 측정하면 블랙홀에서 가스구름 영역까지 빛이 이동하는 시간을 알 수 있다"면서 "수소 가스구름을 이용해 측정한 빛의 메아리 효과 중에서 가장 짧은 80분을 얻었다"고 말했다.

이렇게 측정된 거리와 스펙트럼에서 측정한 가스구름의 회전속도를 합하면 블랙홀 질량이 결정된다. 그 결과, 이번에 확인한 블랙홀의 질량은 태양보다 약 1만배 무거운 것으로 확인됐다. 종전 거대 블랙홀과 비교하면 100억분의1 수준에 불과한 것이다.

엘레나 갈로 미시간대학교 교수는 "이는 메아리 효과로 측정한 블랙홀 중에서 가장 작은 블랙홀이다.이며, 중간질량 블랙홀이 실제로 존재한다는 강력한 증거"라고 설명했다. 왜소은하들은 거대한 은하들과 달리 질량이 작은 은하들은 진화를 거의 거치지 않았기 때문에 초기 우주의 흔적을 갖는다. 왜소은하 중심의 블랙홀도 우주 초기에 형성된 원시 블랙홀의 특성을 갖고 있을 가능성이 높은 것으로 평가된다.

이번 연구의 데이터는 한국천문연구원이 공동운영하는 구경 8.1m 제미니 천문대로부터 확보할 수 있었다.

전세계 미국, 일본, 한국, 인도, 세르비아, 이스라엘, 스페인 20여개 천문대에서 24시간 이상 모니터링이 진행됐다.

조호진 서울대 박사과정 연구원은 "이와 비슷한 프로젝트는 과거에도 여러 천문대에서 시도했지만 번번이 실패했다"면서 "이번 관측은 매우 도전적이었으며 날씨가 도와주지 않아 어려움이 컸지만 훌륭한 자료를 얻을 수 있었다"고 말했다.

이번 연구 결과는 '네이처 아스트로노미'(Nature Astronomy) 6월호에 실렸다.