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우종학 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 지구로부터 1400만광년 떨어진 왜소은하 'NGC 4395'의 중심 블랙홀이 태양 질량의 약 1만 배임을 밝혀냈다. 미국항공우주국 제공 블랙홀 기원의 중요한 단서가 될 왜소은하의 중심 블랙홀이 최초로 확인됐다. 지금까지 발견되던 '거대질량 블랙홀'이 아닌 작은 규모의 '중간질량 블랙홀'로 밝혀지면서 우주의 기원을 밝히는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

우종 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 지구로부터 1400만 광년 떨어진 왜소은하 NGC 4395 중심 블랙홀의 질량을 확인한 결과 태양의 약 1만 배라는 연구결과를 이달 10일 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다.

거대한 은하의 중심에 블랙홀이 존재한다는 패러다임은 정설이 됐다. 거대 은하중심 블랙홀은 태양보다 100만 배에서 최대 100억 배까지 무거운 거대질량 블랙홀이다. 지난달 인류가 최초로 관측한 블랙홀인 M87은하 중심 블랙홀도 태양 질량의 66억배인 거대질량 블랙홀이다. 하지만 이보다 질량이 작은 블랙홀인 중간질량 블랙홀이 은하 중심에 존재하는지는 증거가 불확실했다.

연구팀은 이를 찾기 위해 우리은하의 1000분의 1 크기인 왜소은하 NGC 4395를 목표로 삼았다. 일반은하의 100분의 1 이하 크기인 왜소은하는 거대은하 중심과 달리 중간질량 블랙홀을 발견할 확률이 높다. 또한 거대은하들과 달리 질량이 작은 은하들은 변화를 거의 거치지 않아 초기우주의 흔적을 보유하고 있다. 왜소은하 중심에 블랙홀이 있다면 초기우주의 흔적이 남아있는 원시 블랙홀일 가능성 크다.

문제는 블랙홀은 질량이 작을수록 발견하기 어렵다는 점이다. 블랙홀의 중력이 미치는 공간이 작기 때문이다. 연구팀은 빛의 메아리 효과를 이용해 블랙홀 질량을 측정했다. 빛의 메아리 효과는 블랙홀로 빨려들아가는 빛이 블랙홀 주변을 회전하는 가스구름에 반사되는 효과를 말한다. 회전하는 가스구름은 특정한 파장대의 빛을 방출한다. 이 빛이 블랙홀의 강착원반에서 나온 빛보다 더 늦게 지구에 도달하기 때문에 이 시간차를 측정하면 블랙홀에서 가스구름 영역까지의 거리를 측정할 수 있다.

방출선 영역에서 나오는 빛의 밝기 변화는 강착원반에서 나오는 빛의 밝기 변화를 따라 변하며, 메아리처럼 시간차를 두고 늦게 관측된다. 이 메아리 효과를 측정하면 강착원반에서 방출선 영역까지 거리를 구할 수 있다. 이를 토대로 블랙홀의 질량도 구할 수 있다. 서울대 제공 메아리 효과로 측정된 거리와 가스구름의 회전속도를 통해 연구팀은 NGC 4395 중심 블랙홀의 질량을 태양질량의 약 1만 배로 추정했다. 우 교수는 “지금까지 수소 가스구름을 이용해 측정한 빛의 메아리 효과 중 가장 짧은 80분의 시간차를 얻었다”고 말했다. 메아리 효과로 측정한 블랙홀 중 가장 작은 블랙홀로 중간질량 블랙홀이 실제로 존재한다는 강력한 증거라고 연구팀은 설명했다.

이 블랙홀이 태양질량의 1만 배인 블랙홀로 밝혀지면서 원시 블랙홀일 가능성도 커졌다. 은하중심에서 발견되는 거대질량 블랙홀의 기원은 두 가지 시나리오가 존재한다. 태양의 수십 배 가량 되는 별 블랙홀에서 시작된다는 ‘가벼운 씨앗’ 시나리오와 질량이 태양의 1만 배 가량 되는 가스구름에서 시작된다는 ‘무거운 씨앗’ 시나리오다. 만약 무거운 씨앗 모형이 맞다면 이 블랙홀은 우주 초기에 태양질량의 1만 배로 형성된 후 거의 변하지 않은 원시 블랙홀인 셈이다. 연구팀은 이번 연구결과를 토대로 왜소은하의 진화과정 연구를 비롯한 다양한 후속 연구를 진행할 예정이라고 밝혔다.

연구에 참여한 조호진 서울대 물리천문학부 박사과정생은 “매우 도전적인 관측이었고 날씨도 도와주지 않아 어려움이 컸지만 대대적인 관측 캠페인과 철저한 준비를 통해 훌륭한 자료를 얻었다”며 “매우 흥분되는 결과”라고 말했다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]