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블랙홀
거대 블랙홀 탄생의 비밀
그렇다면 대부분의 은하 중심에 존재하는 거대 블랙홀은 어떻게 탄생했을까. 전문가들은 크게 세 가지 정도의 시나리오를 제시한다. 하나의 아이디어는 별의 시체인 블랙홀 하나가 형성된 후 수백만 년 동안 엄청난 양의 물질을 꿀꺽꿀꺽 삼키면서 거대 블랙홀로 성장했다는 것이다. 또 다른 가능성은 별의 시체인 블랙홀들이 군집을 이루고 있다가 서로 병합하면서 결국에는 하나의 거대 블랙홀이 되었다는 것이다. 또는 하나의 거대한 가스 구름이 뭉쳐지면서 거대 블랙홀이 탄생했을 수도 있다. 물론 전혀 다른 가능성을 생각해볼 수 있다.
2000년 6월 196차 미국천문학회에서 발표된 결과는 거대 블랙홀에 대한 많은 것을 말해준다. 미국천문학자들이 주축이 된 국제공동연구팀은 허블 우주망원경으로 관측한 30개 이상의 거대 블랙홀에 대한 연구 결과를 공개했다. 이 가운데 10개의 거대 블랙홀은 연구팀이 새로 발견한 것이다. 허블 우주망원경의 통계 조사 결과, 거대 블랙홀은 은하의 진화와 상당한 관련이 있는 것으로 밝혀졌다.
가장 중요한 사항은 거대 블랙홀의 최종 질량이 초기에 정해진 것이 아니라 은하 형성 과정에서 결정된다는 점이다. 다시 말하면 은하 중심에 자리잡은 괴물인 거대 블랙홀은 태어날 때부터 거대했던 것이 아니라 우주의 초기 형성기에 은하의 가스와 별들을 적당량씩 잡아먹으며 성장했다는 것이다. 거대 블랙홀이 은하보다 먼저 탄생한 것이 아니라 은하와 함께 진화해 왔다는 뜻이다. 또 거대 블랙홀이 성장하는 데는 은하들이 서로 충돌, 병합해 하나가 될 때 은하 중심에 있던 개개의 블랙홀들이 하나로 합쳐지는 사건도 한몫했다.
연구팀은 놀랍게도 거대 블랙홀이 한 은하의 \'핵심부\' 질량 가운데 정확히 0.2%(후에 나온 연구에서는 0.5%)를 차지하고 있다는 사실을 찾아냈다. 은하 핵심부란 타원은하를 구성하는 별들이나 나선은하의 중앙 팽대부(bulge) 별들을 말한다(나선은하의 경우 주변부의 나선팔을 제외한 부분이 중앙 팽대부지만, 타원은하의 경우 은하 전체가 중앙 팽대부에 해당한다고 볼 수 있다). 이 발견은 허블 우주망원경의 두 종류 관측에 근거한 것이다. 하나는 물이 하수구로 소용돌이치며 빨려들듯이 주변 가스가 블랙홀로 빨려드는 속도를 측정해 블랙홀의 질량을 알아낸 것이고, 다른 하나는 은하 중심 주변에 있는 별들의 운동을 측정해 블랙홀의 질량을 파악한 것이다. 은하의 팽대부(bulge)가 무거우면 무거울수록 별들의 속도는 점점 더 큰 것으로 밝혀졌다.
이런 경향은 은하의 규모에 따라 블랙홀의 덩치가 달라진다는 뜻이다. 즉, 작은 은하에 있는 블랙홀은 상대적으로 영양 부족 상태로 단지 태양 질량의 수백만 배에 지나지 않는 반면, 거대한 은하의 중심에 자리한 블랙홀은 태양 질량의 10억 배 이상인 것이다. 특히 태양 질량의 10억 배 이상인 거대 블랙홀은 주변 가스와 별들을 너무 게걸스럽게 먹어치워 한때 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사로 확 타올랐을 정도다.
허블 우주망원경의 이 같은 발견은 이전부터 의심받았던 블랙홀과 은하의 비밀스런 관계를 폭로했다. 처음으로 블랙홀의 형성과 성장이 은하 형성과 밀접하게 관련된다는 점을 밝혔던 것이다. 한 은하를 형성하는 사건과 은하의 블랙홀이 퀘이사로 빛나게 하는 사건이 사실 똑같은 사건이라는 점을 암시한다. 은하가 형성되는 초기에 거대 블랙홀이 주변 물질을 잡아먹는 것은 블랙홀 자체가 몸집을 불리는 과정일 뿐 아니라 한 은하의 진화에서 중요한 과정, 즉 퀘이사로 빛나는 시기임을 의미한다. 다시 말하면 퀘이사는 은하 중심의 블랙홀에 물질이 유입되고 블랙홀이 성장한다는 신호인 셈이다.
또한 연구팀의 결과는 우리은하처럼 작은 중앙 팽대부를 지닌 은하들의 중심에 왜 태양 질량의 수백만 배에 해당하는 자그마한 블랙홀이 자리하는지를 설명한다. 반면 거대한 타원은하는 태양 질량의 수십억 배인 블랙홀을 지니고 있는지, 일부는 아직도 퀘이사와 비슷한 활동을 보여주는지를 말해준다. 그렇다면 중앙 팽대부가 없는 나선은하는 어떨까? 은하 중심에 블랙홀이 아예 없거나, 아니면 허블 우주망원경이 찾아내기에 너무 작은 블랙홀이 자리하고 있을 것이다.
물론 이런 결과가 초기 거대 블랙홀의 씨앗이 어디에서 생겼는지를 말해주지는 않는다. 그리고 은하 형성 과정이 왜 블랙홀이 그렇게 정확한 비율의 질량을 갖도록 만들었는지를 설명하지 못한다. 다만 분명한 것은 얼마나 많은 질량이 블랙홀로 빨려 들어가는지를 결정하는 과정이 은하 형성의 세부와 무관하게 거의 똑같은 결과를 만들어낸다는 사실이다.
아무튼 허블 우주망원경의 통계 조사 결과는 대부분의 은하 중심에 거대 블랙홀이 자리하고 있다는 점을 보여준다. 블랙홀은 여느 은하만큼이나 흔한 천체가 된 것이다. 이제 허블 우주망원경으로 관측할 수 있는 가장 작은 블랙홀을 찾는 일이 중요하다. 이 정보는 은하 형성 동안 매우 빠르게 성장한 블랙홀의 씨앗을 이해하는 데 도움을 주기 때문이다.
그렇다면 거대 블랙홀은 별 질량의 블랙홀과 아무 상관이 없을까? 거대 블랙홀보다 더 작은 블랙홀은 없을까? 2000년 9월에는 NASA의 찬드라 X선 망원경이 별 질량의 블랙홀과 거대 블랙홀을 이어주는 중요한 성과를 거두었다. 불규칙은하 M82에서 태양 질량의 500배에 해당하는 블랙홀을 발견했던 것이다. 흥미롭게도 이 블랙홀은 M82의 중심에 위치하지 않는 것으로 밝혀졌다. 혹시 이 블랙홀은 점차 몸집을 키워가며 중심으로 자리를 옮기는 과정에 있는 것이 아닐까?
2002년 9월 17일에는 미국 우주망원경 과학연구소가 전혀 뜻하지 않은 곳에서 블랙홀을 발견했다고 발표했다. 다름 아닌 구상성단 중심부였다. 구상성단은 수만-수백만 개의 매우 늙은 별이 공 모양으로 밀집된 성단(별무리)으로 주로 은하의 외곽부(헤일로)에 위치한다. 우리은하에는 150여 개의 구상성단이 있다. 놀랍게도 구상성단 중심부에서 발견된 블랙홀은 별 질량의 블랙홀과 거대 블랙홀의 중간 크기에 해당하는 것으로 밝혀졌다. 구체적으로 우리은하에 있는 M15라는 구상성단과 안드로메다 은하에 있는 G1이라는 구상성단에서 각각 중간 크기의 블랙홀이 발견됐다. 즉 지구로부터 3만 2,000광년 떨어진 구상성단 M15에서는 태양 질량의 4,000배인 블랙홀이, 220만 광년 떨어진 안드로메다 은하의 구상성단 G1에서는 태양 질량의 2만 배인 블랙홀이 각각 포착됐던 것이다.
구상성단에서 발견된 중간 크기의 블랙홀은 별 질량의 블랙홀과 거대 블랙홀을 이어주는 고리로 보인다. 허블 우주망원경으로 관측된 거대 블랙홀들의 경우 질량이 큰 은하일수록 더 무거운 블랙홀을 갖는 것으로 밝혀졌다. 은하 중심의 거대 블랙홀은 은하 질량의 약 0.5%에 해당한다. 이런 경향은 구상성단 중심부에서 발견된 중간 크기의 블랙홀에도 그대로 이어졌다. 즉, 중간 크기의 블랙홀은 구상성단 질량의 0.5%를 지닌다는 뜻이다. 이런 비율은 블랙홀의 형성과 진화에 대해 근원적인 어떤 과정이 있음을 암시하는 것이다.
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구상성단이나 은하가 무거울수록 중심부의 블랙홀도 무겁다.
가로축은 구상성단이나 은하의 질량이고, 세로축은 블랙홀의 질량이다. 도표에 그려진 천체는 왼쪽 아래부터 구상성단 M15, 구상성단 G1, 작은 나선은하, 큰 나선은하, 타원은하다.
구상성단의 블랙홀은 거대 블랙홀로 성장할 씨앗의 훌륭한 후보다. 구상성단은 우주에서 가장 오래된 별들을 포함하고 있다. 구상성단의 블랙홀은 성단이 형성되던 수십억 년 전에 함께 태어났을 것이다. 이 중간 크기의 블랙홀이 씨앗 역할을 해 시간에 따라 점점 성장함으로써 거대 블랙홀이 탄생했을 것으로 예측된다.
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출처
블랙홀 : 살림지식총서 034, 이충환, 2003.10.15, ㈜살림출판사, 제공처의 다른 책보기
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의견 1
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돌고래아들 돌아들 (samg****)
아주 잘 봤어요
2013-06-15 12:28 | 신고
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