은하 중심 초대형 블랙홀 수수께끼 단서 '중간' 블랙홀 첫 관측

블랙홀 충돌해 태양 142배 질량 천체 형성..중력파 포착해 확인

블랙홀 충돌로 중력파를 만든 시뮬레이션 장면 [Copyright ⓒ N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration/ 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 태양 질량의 142배에 달하는 '중간 질량' 블랙홀이 중력파 관측을 통해 처음으로 확인됐다.

이런 중간급 블랙홀의 존재는 수수께끼로 남아있는 은하 중심의 초대질량블랙홀(SMBH) 형성을 이해할 수 있는 단서를 제공해 줄 수도 있는 것으로 기대되고 있다.

프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 등에 따르면 국제 연구팀은 첨단 중력파 검출 장비인 '라이고'(LIGO·레이저간섭중력파관측소)와 버고(Virgo)가 지난해 5월 21일 포착한 중력파 'GW190521'에 대한 연구 결과를 통해 이를 발표했다.

연구팀은 이 블랙홀이 태양의 85배와 65배에 달하는 질량을 가진 두 블랙홀이 합쳐져 생성된 것으로 중력파가 포착된 블랙홀 중에서는 가장 큰 것이라고 밝혔다.

두 블랙홀이 충돌해 새로운 블랙홀을 형성하며 시공간의 일그러짐이 광속으로 파도처럼 전달되는 중력파를 만들어내는 것은 지난 2015년 중력파가 처음으로 포착된 이후 추가 관측이 이어져 새로운 현상은 아니게 됐다.

하지만 GW190521은 0.1초밖에 지속하지 않았지만 약 70억 광년 밖에서 포착돼 가장 오래된 것이고, 지금까지 관측된 것 중에서 가장 큰 질량을 가진 블랙홀을 만들어 주목을 받았다. 특히 태양 질량의 100~10만배에 달하는 중간질량 블랙홀의 존재를 입증하는 첫 사례라는 점에서 더 큰 관심이 쏠리고 있다.

이런 중간 질량 블랙홀은 거대한 별의 붕괴로 형성되는 항성 블랙홀보다는 크고 태양 질량의 수십만에서 수십억배에 달하는 SMBH보다는 훨씬 작은데, 간접적인 증거로만 존재를 추정해 왔다. 확실하지는 않지만 중간 질량 블랙홀이 반복 합체하면서 SMBH를 형성한다는 시나리오가 제시되고 있어 이에 대한 검증이 이뤄질 수도 있는 것으로 보인다.

중간질량 블랙홀을 만들어낸 원래의 두 블랙홀 크기도 예사롭지 않은 것은 마찬가지다.

현재의 항성진화 물리 이론으로는 항성이 진화의 마지막 단계에서 중력 붕괴로 폭발할 때 태양 질량의 60~120배에 달하는 블랙홀은 만들 수 없는 것으로 돼 있다. 이 범위에서는 초신성 폭발이 너무 강력해 별이 산산이 부서지면서 먼지와 가스만 남는다는 것이다.

하지만 중간 질량 블랙홀을 형성한 두 블랙홀의 질량은 각각 태양의 65배와 85배로 모두 이 범주에 속해 있다. 특히 경계가 아닌 한중간에 있는 태양질량 85배를 가진 블랙홀은 기존 항성 이론으로는 설명이 어렵다.

연구팀은 이 블랙홀들이 충돌해 중간 질량 블랙홀을 만들기 전에 더 작은 블랙홀이 충돌해 형성됐을 가능성이 있는 것으로 제시했다.

이번 연구 결과는 미국물리학회 저널 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)와 국제학술지 '천체물리학저널 회보'(Astrophysical Journal Letters)에 두 편의 논문으로 발표됐다.

eomns@yna.co.kr

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