우주 질주하는 ‘초거대 질량 블랙홀’…어떻게 은하계 밖으로 빠져나갔을까 [우주를 보다]

우리 은하 중심에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 초거대 질량 블랙홀이 있다. 보통 은하계마다 한 개씩 존재하는 초거대 질량 블랙홀은 은하계에서 가장 많은 물질이 모이는 중심부에 형성되며 강력한 중력으로 은하계 전체에 영향을 미치는 중요한 존재다. 나라로 치면 한가운데 있는 수도라고 할 수 있다.

그런데 과학자들은 종종 은하 중심 블랙홀이 제 위치에서 이탈하는 경우를 관측한다. 가장 흔한 경우는 두 은하가 충돌하는 경우다. 은하 역시 고유한 속도와 방향으로 우주를 이동하는데, 이 과정에서 두 은하가 충돌해 더 거대한 은하를 형성하면서 은하가 점점 커진다. 이 경우 은하 중심에 있던 초거대 질량 블랙홀은 일시적으로 두 개가 되지만, 대개는 서로의 강력한 중력에 이끌려 다가간 후 하나의 더 거대한 블랙홀로 합쳐지면서 다시 은하에는 한 개의 초거대 질량 블랙홀만 남게 된다.


하지만 질량과 충돌 속도 같은 조건이 우연히 맞는 경우 두 블랙홀이 서로 합체되는 대신 작은 쪽이 은하 밖으로 튕겨 나가는 일도 생길 수 있다. 이 경우 밖으로 탈출한 초거대 질량 블랙홀은 거의 아무 물질도 없는 우주를 방랑하는 검은 구멍이 된다. 이렇게 흡수하는 물질이 없는 블랙홀은 아무리 좋은 망원경으로도 관측하기 힘들다. 방법은 충격파나 중력 렌즈 효과 같은 간접 현상을 관측하는 것뿐이다.

물론 이는 매우 드문 일이지만, 3년 전 과학자들은 제임스 웹 우주 망원경과 허블 우주 망원경을 이용해서 우주를 방랑하는 초거대 질량 블랙홀인 ‘RBH-1’을 포착하는 데 성공했다. 투시프 이스람이 이끄는 미국 캘리포니아대 산타바바라 캠퍼스(UCSB) 카블리 이론물리학 연구소(KITP)와 텍사스대 오스틴 캠퍼스의 과학자들은 RBH-1이 거대한 질량에도 은하계를 탈출한 이유를 분석했다.

RBH-1은 최대 추정 질량이 태양 질량의 2000만 배에 달하는 거대한 질량을 지닌 블랙홀이다. 그럼에도 초속 1000㎞가 넘는 엄청난 속도로 이동하는 중이다. 그 이유를 알기 위해 연구팀은 정교한 시뮬레이션을 시행했다.



연구팀에 따르면 이렇게 큰 질량을 지닌 블랙홀을 우주로 튕겨 낼 수 있는 존재는 더 거대한 블랙홀뿐이다. 분석 결과에 따르면 RBH-1이 대략 1대6 비율의 질량 비를 지닌 더 거대한 블랙홀에 가까이 다가갈 때 우연히 탈출 궤도로 진입한 것으로 나타났다. 이때 더 거대한 블랙홀은 매우 빠르게 자전하면서 흔들린 것으로 추정된다.

이런 떠돌이 블랙홀은 생각보다 많을 가능성도 있다. 우리 은하를 비롯한 수많은 은하가 충돌과 합체 과정을 겪으면서 커진 만큼 그 과정에서 탈출한 블랙홀의 숫자가 제법 있을 가능성도 있는 것이다. 연구팀은 현재 발사를 앞둔 낸시 그레이스 로만 우주 망원경이나 현재 개발 중인 레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)같은 우주 기반 중력파 관측 장비가 본격 활약하면 더 많은 사례들이 발견될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com