우주 이야기 225 - 놀라운 속도로 회전하는 거대질량 블랙홀

 평범하던 별이 블랙홀로 최후를 맞이하면 남는 물리값은 몇가지에 불과합니다. 예를 들어 그 물질이 수소 원자인지 헬륨 원자인지 하는 것은 아무 의미가 없어지고 사상의 지평면 아래로 떨어진 물질에는 오로지 질량이라는 하나의 물리값만 남게 됩니다. 질량 외에 블랙홀이 가질 수 있는 중요한 물리량에는 스핀 (spin) 이 있습니다. (물론 이론적으로 전하도 가질 수 있음) 블랙홀도 회전을 할 수 있다는 것이죠. (  http://blog.naver.com/jjy0501/100133536079 참조)   

 블랙홀의 질량은 중력의 크기를 간접적으로 측정하는 방식으로 비교적 쉽게 알 수 있지만 스핀의 경우에는 쉽게 측정이 어렵습니다. 펄서 같이 뭔가 에너지를 주기적으로 방출한다면 모를까 아득히 멀리 떨어진 블랙홀의 회전을 측정하는 일은 극히 어렵다는 것이죠. 과학자들은 회전하는 커 블랙홀 (Kerr Black hole)의 이론적인 모습이 어떤지 알고 있지만 실제로 이를 관측으로 확인하는 일은 매우 어려운 과제였습니다.  

나사의 찬드라 X 선 우주 망원경과 유럽 남방 천문대 (ESO) 의 XMM - Newton 우주 망원경 (역시 X 선관측 망원경) 은 지구에서 무려 60 억 광년 정도 떨어진 초거대 질량 블랙홀 (SMBH) 인  RX J1131-1231 (RX J1131) 을 관측했습니다. X 선은 매우 높은 온도에서 나오는 전자기파로 블랙홀 주변에 강한 중력에 의해 끌려들어온 물질이 회전하면서 만드는 강착 원반 (Accreation disc) 과 강착 원반에 수직 방향으로 사상의 지평면으로 빨려들어가는 물질들이 분출되는 제트 (jet) 에서 방출됩니다.  

 미시건 대학의 루벤 레이즈 (Rubens Reis of the University of Michigan in Ann Arbor) 와 그의 동료들은 나사와 ESO 의 두 X  선 우주 망원경을 이용해서 RX J1131 을 관측했습니다. 이 블랙홀은 쉽게 말해 아주 밝은 퀘이사로 상당히 큰 질량과 강력한 X 선을 방출하기는 하지만 거리 때문에 스핀에 대한 결정적인 증거를 확보하기는 쉽지 않습니다.  

 연구팀이 이 블랙홀의 스핀에 대해서 결정적인 정보를 찾을 수 있는 것은 중력 렌즈의 도움 덕분이었다고 합니다. 중력 렌즈는 중력에 의해 공간이 뒤틀리면서 일종의 렌즈 역할을 해서 멀리 있는 물체가 2 개 이상으로 보이거나 혹은 확대되어 보이는 현상입니다. 연구의 공저자인 미시건대의 마크 레이놀즈 (Mark Reynolds) 는 이 중력 렌즈를 이용해서 블랙홀에서 나오는 각기 다른 에너지의에서 나오는 X 의 스펙트럼을 상세히 분석할 수 있었으며 이를 통해 블랙홀이 얼마나 빨리 도는지 측정할 수 있었다고 합니다.  

(블랙홀 RX J1131. 허블 우주 망원경 이미지와 찬드라 X 선 우주 망원경 이미지를 합성한 것   Multiple images of a distant quasar known as RX J1131-1231 are visible in this combined view from Chandra (pink) and Hubble (red, green, and blue). Credit: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STSc)  

 블랙홀의 강력한 중력으로 인해 블랙홀과 가장 가까이에 있는 강착 원반의 X 선 스펙트럼은 크게 뒤틀리게 됩니다. 연구팀은 사상의 지평면 (event horizon : 빛을 포함한 아무것도 빠져나올 수 없는 지점) 에서 불과 세 배 정도 지름에 위치한 강착 원반의 X 선을 분석할 수 있었으며 이의 회전 속도를 통해 대략적인 회전 속도를 측정할 수 있었다고 합니다. 그리고 그 결과는 상당히 놀라운 것이었습니다.  

 연구팀에 의하면 초거대 질량 블랙홀이 빛의 속도의 절반 수준의 빠른 속도로 회전하고 있는 것으로 나타났다고 합니다. 대개 중성자성 처럼 본래 큰 천체가 작은 크기로 압축된 경우에 각운동량 보존의 법칙에 의해 고속으로 회전하는 경우들은 드물지 않지만 여기에 주변에서 흡수한 물질에 의해서 가속이 되는 경우도 고려를 해야 할 것 같습니다. 또 이 블랙홀의 경우 다른 블랙홀을 흡수하면서 커진 것으로 보이는데 이 과정에서 훨씬 빠르게 가속 되었을 가능성도 고려할 수 있습니다.

 이 블랙홀은 지금까지 이런 방식으로 스핀이 측정된 가운데 가장 멀리 떨어진 블랙홀이라고 합니다. 거리로 봤을 때 우리는 60 억년 전 혹은 빅뱅 이후 77 억년 후의 모습을 관측한 것인데 은하 중심의 블랙홀의 모습은 은하 진화에 대한 중요한 정보 (예를 들어 얼마나 자주 다른 은하를 흡수했는지) 를 제공하는 단서가 됩니다.  

 아무튼 이렇게 빨리 회전한다는 건 사실 생각을 못했네요. 아마도 우주에서 가장 빠른 속도로 회전하는 천체가 아닐까 생각합니다. 이 연구는 Nature 에 실렸습니다.  

 참고 

Journal Reference:

1. R. C. Reis, M. T. Reynolds, J. M. Miller, D. J. Walton. Reflection from the strong gravity regime in a lensed quasar at redshift z = 0.658. Nature, 2014; DOI:10.1038/nature13031

http://phys.org/news/2014-03-chandra-xmm-newton-distant-black-hole.html 

http://en.wikipedia.org/wiki/RX_J1131