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- 약 4억 5천만 광년 블레이저 마르카리안 501(Markarian 501)에서 이 두 천체 발견
- 은하 중심에 있는 이 블랙홀들은 불과 121일 주기로 서로 공전, 빠르면 100년 안에 병합
- 이 시스템은 매우 낮은 주파수의 중력파를 방출할 것으로 예상
- 극도로 질량이 큰 블랙홀의 병합을 목격할 수 있는 드문 기회

100년 안에 거대 블랙홀 두 개가 충돌할까?
천문학자들이 가장 가까운 초거대 블랙홀 쌍을 발견했다.

우주 속 근접 댄스:
천문학자들이 병합 직전에 있는 두 개의 초거대 블랙홀을 발견했다. 이는 이처럼 근접한 블랙홀 쌍을 직접 관측한 최초의 사례다. 은하 중심에 있는 이 블랙홀들은 불과 121일 주기로 서로를 공전하며, 빠르면 100년 안에 병합될 수 있다. 이 근접한 블랙홀 쌍은 두 번째로 방출되는 입자 제트의 변화를 통해 발견되었다. 이 고에너지 입자의 분출은 두 번째 블랙홀의 움직임을 추적한다. 

▲ 천문학자들이 블레이저 마카리안 501에서 두 번째로 변화하는 제트를 발견했다. 이는 이 은하의 중심부에 가까이 위치한 한 쌍의 블랙홀이 숨겨져 있음을 보여준다(삽화). © Emma Kun / HUN-REN Konkoly Observatory

은하들이 충돌할 때, 중심 블랙홀들도 서로 가까워진다. 엄청난 중력에 이끌려 서로를 공전하기 시작하고 결국 병합하게 되는데, 우리 은하에서도 이미 이러한 현상이 일어났을 가능성이 있다. 실제로 천문학자들은 이미 두 개 또는 세 개의 초거대 블랙홀이 서로 가까이 공전하는 은하들을 여러 개 발견했다. 지금까지 발견된 가장 가까운 블랙홀 쌍은 불과 2년 만에 서로를 공전했으며, 약 1만 년 안에 병합될 수 있다.

이상한 변동을 보이는 블레이저

천문학자들이 더욱 가까운 곳에서 중력적으로 거대한 두 천체를 발견했다. 독일 본에 있는 막스 플랑크 전파천문학 연구소의 실케 브리첸(Silke Britzen)이 이끄는 연구팀은 약 4억 5천만 광년 떨어진 블레이저 마르카리안 501(Markarian 501, Mrk 501)에서 이 두 천체를 발견했다. 이 활동적인 은하 중심에 있는 초거대 블랙홀은 지구를 향해 강력한 에너지의 복사선과 입자 제트를 방출한다. 그러나 이 제트의 강도에 나타나는 변동은 오랫동안 의문을 불러일으켰다. 

▲ 마카리안 501 은하 중심부에서 뿜어져 나오는 방사선과 입자 제트가 지구를 향하고 있다. © 2Mass

마르카리안 501을 둘러싼 미스터리를 풀기 위해 브리첸 연구팀은 초거대 기선 배열(VLBA)에 설치된 두 개의 전파 망원경이 2011년부터 2023년까지 이 블레이저를 관측한 데이터를 분석했다. 거의 23년에 걸친 관측 자료를 비교함으로써 천문학자들은 이 은하의 변화를 더욱 정확하게 재구성할 수 있었다.

두 번째 제트와 아인슈타인 고리

분석 결과 놀라운 사실이 밝혀졌다. 마카리안 501 은하의 중심부에서 제트가 하나가 아닌 두 개나 방출되고 있는 것이다. 새롭게 발견된 이 두 번째 제트는 지구를 직접 향하지 않으며, 23년간의 관측 기간 상당한 변화를 보였다. 브리첸과 동료 연구진은 "제트와 같은 특징들이 처음에는 은하핵의 오른쪽에서 나타나다가, 반시계 방향으로 휘어져 은하핵을 따라 이동한 후 마지막에는 왼쪽에서 나타난다"고 보고했다.

2022년 6월, 천문학자들은 놀라운 현상을 관측했다. 두 번째 제트에서 나오는 빛이 갑자기 고리 모양으로 왜곡되어 아인슈타인 고리를 형성한 것이다. 이러한 고리 모양의 빛 왜곡은 질량이 큰 전경 천체가 광원 바로 앞을 지나갈 때 발생한다. 전경 천체의 중력이 시공간을 왜곡시켜 배경 천체에서 나오는 빛을 증폭시키고 왜곡시키는 것이다.

근접한 두 개의 거대 중력체

이러한 관측을 통해 천문학자들은 마카리안 501의 중심부에 서로 매우 가까이 공전하는 두 개의 초거대 블랙홀이 존재한다고 결론지었다. 연구팀은 "이러한 쌍성계는 두 개의 전파 제트가 방출되는 현상을 설명할 수 있는 타당한 근거가 될 수 있다"고 밝혔다. 두 번째 블랙홀은 약간 더 무거운 첫 번째 블랙홀을 시계 반대 방향으로 공전하며, 제트를 끌어당겨 방향과 모양이 변화하게 만든다.

마카리안 501의 이미지는 은하 중심부에 위치한, 제트를 방출하는 활동적인 블랙홀 쌍을 직접적으로 보여주는 최초의 사례다. 추가 분석 결과, 이 두 블랙홀은 약 121일 만에 한 바퀴를 공전하는 것으로 나타났다. 천문학자들은 이것이 현재까지 알려진 가장 가까운 블랙홀 쌍이라고 설명했다. 두 거대 중력체는 약 470 천문단위(AU), 즉 약 700억 킬로미터 떨어져 있다.

▲ 2023년 여름, 새로 발견된 두 번째 제트기류(파란색)의 변화. © S. Britzen

100년 안에 병합 가능성

가장 흥미로운 점은 두 개의 초거대 블랙홀이 서로 매우 가까이 공전하고 있어 거리가 급격히 줄어들 것이라는 사실이다. 이는 이 블레이저에 있는 두 거대 블랙홀이 이미 "죽음의 춤"의 마지막 단계에 접어들었음을 의미한다. 브리첸과 그의 동료들이 밝혀낸 바에 따르면, 두 블랙홀은 약 100년 안에 병합될 수 있다. 하지만 두 블랙홀이 이미 매우 가까이 공전하고 있고 은하계가 너무 멀리 떨어져 있기 때문에, 아무리 뛰어난 망원경으로도 두 블랙홀을 육안으로 구분할 수 없다.

하지만 천문학자들은 중력파를 이용해 두 블랙홀의 근접 공전의 마지막 단계와 병합 과정을 관측할 수 있다. "이 시스템은 매우 낮은 주파수의 중력파를 방출할 것으로 예상되며, 이는 펄서 타이밍 어레이(PTA)를 이용해 감지할 수 있다. 잠재적인 중력파 신호는 8 x 10⁻⁸ Hz로, 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA)가 펄서 타이밍을 통해 감지할 수 있는 주파수 범위 내에 있다"고 천문학자들은 설명했다.

이는 중력파가 전파 펄서의 주기성을 변화시켜 전파 망원경으로 관측 가능하게 만든다는 것을 의미한다. 네덜란드 네이메헌의 라드바우드 대학교 공동 저자인 헥터 올리바레스는 "중력파가 감지된다면, 두 거대 블랙홀이 서로를 향해 나선형으로 접근함에 따라 펄서의 주파수가 꾸준히 증가하는 것을 관측할 수도 있을 것이다"며, "이는 극도로 질량이 큰 블랙홀의 병합을 목격할 수 있는 드문 기회를 제공할 것이다"고 설명했다.

참고: 왕립천문학회 월간회보, 2026; doi: 10.1093/mnras/stag291
출처: 막스 플랑크 전파천문학 연구소, 왕립천문학회 월간회보

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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