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별은 빛을 내뿜고 블랙홀은 빛을 가둔다. 블랙홀은 말 그대로 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나올 수 없는 초고밀도 천체를 말한다. 별의 일생에서 보통 태양보다 훨씬 큰 별이 핵융합 에너지를 소진하고 붕괴하는 과정에서 초신성 폭발을 일으킨 뒤 블랙홀이 만들어진다.
우리 은하를 포함해 대부분의 은하 중심에는 태양의 수십만배가 훨씬 넘는 초대질량 블랙홀이 자리를 잡고 있다. 우주에서 밀도가 높은 중심부 남양주 별내신도시 터 별이 형성되고 중력 붕괴가 일어나면서 자연스레 은하의 중심에 거대한 블랙홀이 형성된다. 이 거대한 블랙홀은 강력한 중력으로 자신이 속한 은하의 구조와 별 형성에 일정한 영향력을 행사한다.
영국 포츠머스대와 브라질 히우그란지두술연방대(UFRGS) 천문학자들이 지금까지 발견된 것 중 가장 큰 블랙홀을 발견해 영국 왕립천문학회월보에 발표했다 sbi액시즈 .
연구진이 허블우주망원경과 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(LLT) 관측 데이터를 분석한 결과, 이 블랙홀은 태양 질량의 360억배로, 우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀 궁수자리A*(사지테리어스 에이스타)보다 1만배 가까이 더 무거운 것으로 추정됐다. 연구진은 “이는 우주에서 존재할 수 있는 이론적 상한치에 가깝다”고 밝혔다. 한 한국토지주택공사홈페이지 연구에 따르면 138억년 우주 역사를 전제로 할 때 블랙홀이 도달할 수 있는 질량의 이론적 한계는 500억 태양 질량이다.



중력 렌즈와 별 이동 속도로 질량 알아내
이 블랙홀은 2007년에 발견된 ‘우주 말발굽’(Cosmic Horseshoe)라는 이름의 중력렌 인천실매물 즈 은하계에 자리잡고 있다. 우주 말발굽은 중앙에 있는 56억광년 거리의 전경 은하(LRG 3-757)와 외곽에서 고리를 이루고 있는 190억광년 거리의 배경 은하로 이뤄졌다. 배경 은하에서 나온 빛이 전경 은하의 중력 영향으로 말발굽처럼 휘어진 모습이다. 마치 빛이 렌즈를 통과할 때 휘어지는 것과 같다고 해서 이런 현상을 중력렌즈 또는 ‘아인슈타인 링’이 우체국 라고 부른다.
전경 은하가 워낙 거대해 배경 은하가 형성한 말발굽은 거의 완벽한 원을 그리고 있다. 이 은하의 질량은 우리 은하의 100배로 역시 천문학자들이 발견한 것 중 가장 큰 은하다. 은하가 클수록 그 중심의 초대질량 블랙홀도 더 커진다.
연구를 이끈 포츠머스대의 토마스 콜렛 교수(천체물리학)는 “이 블랙홀은 지금까지 발견된 가장 큰 블랙홀 10개 중 하나이며 아마도 가장 거대한 블랙홀일 것”이라고 말했다. 이전에 다른 추정 방법을 이용해 태양 질량의 최대 400억배로 추정되는 블랙홀이 발견된 적은 있으나, 오차 범위가 무려 ‘0’을 하나 더 붙일 정도여서 신뢰도가 떨어진다. 이번에 발견한 블랙홀 질량의 오차 범위는 35%다.
연구진은 두가지 방법을 결합해 이 블랙홀의 존재와 질량을 알아냈다. 블랙홀의 존재는 빛이 휘어지는 중력 렌즈 효과로 알아냈고, 블랙홀의 질량은 은하 안쪽에 있는 별들이 초속 400km의 빠른 속도로 움직인다는 점에 기반해 측정했다.



우주 말발굽 은하계의 주황색 은하 근처의 희미한 주황색 이미지가 블랙홀 발견에 결정적 역할을 했다. 포츠머스대 제공


동반 은하들을 모두 흡수한 화석은하
논문 제1저자인 카를로스 멜루 연구원(히우그란지두술연방대)은 “그동안 멀리 있는 블랙홀은 활발히 물질을 흡수할 때만 질량 측정이 가능했는데 이번처럼 강력한 렌즈 효과와 항성 역학을 결합하면 우주 곳곳에 숨어 있는 ‘휴면 블랙홀’, 즉 활동이 활발하지 않은 블랙홀도 가려내 질량을 측정할 수 있다”고 말했다.
연구진은 이번 발견이 초대질량 블랙홀과 은하 사이의 관계를 설명하는 데도 도움이 된다고 밝혔다. 콜렛 교수는 “둘 사이의 크기는 밀접한 관련이 있어서, 은하가 커지면 물질을 중심의 블랙홀로 흘려보낼 수 있다”고 말했다. 이 물질의 일부는 블랙홀로 빨려들어가 블랙홀을 키우지만 대부분은 블랙홀 주변에서 마찰을 일으켜 퀘이사라고 불리는 매우 밝은 발광체가 된다. 퀘이사가 은하로 방출하는 열과 빛은 가스 구름이 응축되는 걸 막아 새로운 별 형성을 방해한다.
연구진은 우주 말발굽의 전경 은하는 화석은하군에 속한다고 밝혔다. 화석은하는 우주에서 중력에 의해 묶여 있는 가장 거대한 구조물의 최종적인 단계다. 수십억년에 걸쳐 은하군에서 가장 무거운 은하가 다른 동반 은하들을 포획해 합쳐진 ‘외로운 거인’ 은하다.
콜렛 교수는 “원래 동반 은하에 있던 초대질량 블랙홀이 모두 합쳐져 이번에 발견한 초대질량 블랙홀을 형성했을 가능성이 크다”며 “따라서 우리는 은하와 블랙홀의 최종 국면을 동시에 보고 있는 셈”이라고 말했다.
우리 은하의 경우엔 안드로메다은하가 동반 은하에 해당한다. 과학자들은 두 은하가 45억년 후에 합쳐질 것으로 예상한다. 그렇다면 우리 은하와 안드로메다 은하도 먼 미래에 충돌한 뒤, 합쳐진 블랙홀 주변에서 일정 기간 퀘이사를 생성하다 결국 화석은하가 될 가능성이 크다는 얘기다.
*논문 정보
Unveiling a 36 billion solar mass black hole at the centre of the Cosmic Horseshoe gravitational lens. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(2025)
https://doi.org/10.1093/mnras/staf1036
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr