연세대 지명국 교수 참여 국제공동연구팀, JWST로 100억 년 전 우주 '잠든 블랙홀' 무게 측정 성공…태양 질량 60억 배
- 세계 최초로 먼 우주의 비활동성 블랙홀 질량을 주변 별의 움직임으로 직접 규명 -
연세대학교(총장 윤동섭) 천문우주학과 지명국 교수를 포함한 국제 공동연구진이 제임스 웹 우주망원경(이하 JWST)을 이용해 약 100억 년 전 우주에서 활동을 멈춘 은하 중심부 블랙홀의 질량을 측정하는 데 성공했다. 먼 우주에 존재하는 비활동성 블랙홀의 질량을 주변에 있는 별의 움직임을 이용해 직접 결정한 세계 최초의 사례다. 측정된 질량은 태양의 약 60억 배로, 블랙홀을 품은 은하의 규모에 비해 매우 무겁다. 이는 블랙홀과 은하가 어떻게 함께 성장하는지에 대한 기존 이론에 도전을 던지는 결과다. 연구 결과는 6월 4일 국제 학술지 《사이언스(Science)》에 게재됐다.
은하 중심의 블랙홀은 물질을 활발히 흡수하며 밝은 빛을 내는 ‘활동성’과 물질 흡수가 끝나 빛을 내지 않는 ‘비활동성’으로 나뉜다. 활동성 블랙홀은 먼 우주에서도 쉽게 관측되어 무게 측정이 상대적으로 수월하다. 반면, ‘잠들어 버린’ 비활동성 블랙홀은 빛을 내지 않기 때문에 주변 별들의 운동 속도를 측정해 질량을 추정해야 한다. 주변 별들이 빠르게 움직일수록 중심 블랙홀의 질량이 크다는 원리다. 그러나 이 방법은 지금까지 약 6억 광년 이내의 가까운 우주에만 한정됐다. 그보다 먼 우주에서는 별들의 움직임을 상세히 분해해 보기 어려웠기 때문이다.
연구진은 '중력렌즈' 현상을 활용해 이 한계를 극복했다. 중력렌즈는 앞쪽에 위치한 무거운 천체의 중력이 뒤쪽 천체에서 나온 빛을 휘게 만들어 상을 확대하는 현상이다. 우주가 인류에게 선물한 천연 고성능 망원경인 셈이다. 이 자연의 확대 효과와 인류 최고의 우주망원경인 JWST의 협업 덕분에, 연구진은 100억 년 전 블랙홀 근처에 있는 별들의 움직임까지 정밀하게 들여다볼 수 있었다.
공저자로 참여한 연세대 천문우주학과 지명국 교수와 차상준 연구원은 중력렌즈의 확대율을 정밀하게 계산하는 ‘렌즈 모델링’ 연구를 수행했다. 확대율은 블랙홀 질량 측정의 정확도를 좌우하는 핵심 변수다. 연구진은 서로 다른 7개 연구 그룹이 독립적으로 구축한 렌즈 모델을 비교·검증하여 측정의 신뢰성을 확보했다.
이번 연구에서 가장 주목할 점은 블랙홀이 자신이 속한 은하의 규모에 비해 지나치게 무겁다는 사실이다. 일반적으로 블랙홀은 은하 내부의 전체 별 질량과 일정한 비례 관계를 유지하며 함께 성장하는 것으로 알려져 있다. 그런데 이 블랙홀은 은하의 별 질량 대비 블랙홀의 질량 비율이 같은 시기의 일반적인 은하보다 약 10배나 높았다. 현재 우주의 은하들과 비교해도 이례적으로 높은 수치다. 이는 블랙홀이 은하의 성장 속도를 앞질러 매우 빠르고 효율적으로 덩치를 키웠음을 의미한다. 최근 JWST는 더 이른 초기 우주에서도 은하 대비 과도하게 무거운 활동성 블랙홀들을 잇따라 발견해 왔다. 이번 연구는 우주 초기에 일부 블랙홀이 예상을 뛰어넘는 속도로 '폭풍 성장'했음을 뒷받침하는 또 하나의 강력한 증거다.
이번 성과는 먼 우주에 다수 존재할 것으로 추정되는 ‘활동을 멈춘 거대 블랙홀’을 본격적으로 탐사하는 출발점이 될 것으로 평가된다. 향후 한국이 참여하는 거대마젤란망원경(GMT) 등 차세대 초대형 지상망원경이 가동되면, 중력렌즈의 도움 없이도 다양한 거리에 있는 비활동성 거대 블랙홀을 직접 관측할 수 있을 전망이다.
붙임 연구 그림 1장.
(사진 설명)
1. 이번 연구에서 질량 측정에 성공한 비활성 블랙홀과 그 모은하의 이미지. 그림 맨 오른쪽의 주황색 천체는 100억 년 전 우주에 존재하는 타원은하로, 가운데 전경 은하단(흰색 은하들)이 일으키는 중력렌즈 효과에 의해 여러개로 길게 늘어진 모습으로 나타나며 원래보다 약 30배 크게 확대되어 보인다. 은하 중심의 검은 점은 비활성 블랙홀의 위치를 가리킨다. 출처: Navid Marvi/Carnegie Science