우주 이야기 451 - 서로 공전하는 두 개의 거대 블랙홀

(An illustration of the binary black hole system in OJ287. The predictions of the model are verified by observations. Credit: Gary Poyner, UK)

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 전 세계에 있는 여러 망원경과 천문학자들이 협력해서 지구에서 35억 광년 떨어진 거대 질량 블랙홀의 공전 및 자전 속도를 알아냈다는 소식입니다. ​OJ287라고 불리는 퀘이사가 바로 그 주인공으로 그 정체는 태양질량의 180억배에 달하는 거대 은하 중심 블랙홀입니다. 현재까지 발견된 블랙홀 가운데 가장 거대한 것 가운데 하나죠.

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 그런데 과학자들은 과거 관측을 통해서 이 블랙홀이 12년 주기로 갑자기 밝아지는 현상(flare)을 일으킨다는 것을 알아냈습니다. 그 이유에 대해서는 많은 이론들이 있었으나 최근 가장 타당성 있게 받아들여지는 이론은 위의 모식도와 같이 이 거대 블랙홀이 주변에 위성 블랙홀을 거느리고 있다는 것입니다.

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 이 위성 블랙홀은 태양 질량의 1억배로 태양 질량의 400만배에 달하는 우리 은하 중심 블랙홀과는 비교할 수 없을 만큼 거대한 것입니다. 하지만 ​OJ287의 질량이 워낙 크다보니 그 주변을 12년 주기로 공전하고 있습니다.

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 다른 거대 질량 블랙홀과 마찬가지로 OJ287은 주변에 거대한 강착 원반을 가지고 있습니다. 블랙홀의 중력에 끌려온 물질들은 주변을 공전하며 거대한 원반을 형성하기 때문입니다. 그런데 모식도에서와 같이 위성 블랙홀이 주변을 공전할 경우 이 강착 원반을 통과할 수 있습니다. 그러면 그 때마다 2차례에 ㄱ걸쳐 갑자기 밝기가 증가하는 플레어 현상이 일어나는 것이죠.

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 과학자들은 다음 주기가 2015년 11월에 있다는 사실을 예측하고 SWIFT X선 망원경 같은 위성 관측 기기와 전 세계에 있는 망원경들을 동원해서 이를 정밀 관측했습니다. 그 결과 OJ287의 자전 속도에 대한 중요한 정보를 확보할 수 있었습니다.

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 보통 중성자별이나 블랙홀은 매우 빠른 속도로 자전합니다. 각운동량 보존의 법칙에 의해 별이 수축해도 운동량이 보존되기 때문입니다. 다만 아직 지름과 크기가 있는 중성자별과는 달리 블랙홀은 하나의 점에 불과하기 때문에 구체적인 자전 속도를 추정하기가 매우 어렵습니다.

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 이번 연구에서는 간접적인 방식으로 이 거대 블랙홀의 자전 속도가 상대성 이론에서 허용하는 수준의 1/3에 달하다는 것이 밝혀졌다고 합니다. 구체적인 방법은 이해가 어렵지만, 아무튼 블랙홀의 자전 속도를 측정했다는 것만으로도 상당한 성과인 것 같습니다.

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 우주는 넓고 아직 우리가 모르는 것들이 많습니다.  위성 블랙홀을 거느리는 거대 블랙홀 역시 마찬가지인데, 그 질량과 규모는 우리가 쉽게 상상하기 어려운 수준인 것 같습니다.

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 참고

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​M. J. Valtonen et al. PRIMARY BLACK HOLE SPIN IN OJ 287 AS DETERMINED BY THE GENERAL RELATIVITY CENTENARY FLARE, The Astrophysical Journal (2016). DOI: 10.3847/2041-8205/819/2/L37                                        

  http://phys.org/news/2016-03-clocking-rotation-supermassive-black-hole.html#jCp