우주 이야기 673 - 두 거대 질량 블랙홀의 공전을 확인하다.

(Artist's conception shows two supermassive black holes, similar to those observed by UNM researchers, orbiting one another more than 750 million light years from Earth. Credit: Joshua Valenzuela/UNM)

(VLBA map of radio galaxy 0402+379 at 15 GHz. It hosts two supermassive black holes at its center, being denoted as C1 and C2. Credit: UNM)

 뉴 멕시코 대학의 천문학자들이 거대 전파 망원경 어레이를 이용해서 두 개의 거대 질량 블랙홀의 공전을 확인했습니다. 이번 연구는 12년간의 관측 결과를 모은 것으로 이론적으로 예측되었던 두 거대 질량 블랙홀의 공전을 확인했다는 데 의의가 있습니다. 

 은하 중심에는 보통 태양 질량의 수백만배 이상의 거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 그런데 이런 은하들이 충돌할 때 이 거대 질량 블랙홀 역시 서로의 중력으로 영향을 주고 받게 됩니다. 일부는 스쳐지나가는 경우도 있지만, 매우 가까이 다가간 블랙홀은 서로의 중력에 의해 묶이게 됩니다. 이렇게 중력으로 묶인 두 개의 거대 질량 블랙홀은 처음에는 서로의 질량 중심을 공전하지만, 결국 나중에는 중력파를 방출하면서 하나로 합쳐지는 경우가 흔합니다. 따라서 두 개의 거대 질량 블랙홀의 공전은 관측이 쉽지 않습니다.

 연구팀은 미국내 10개의 거대 전파 망원경을 묶은 Very Long Baseline Array (VLBA)를 이용해서 지구에서 7억5천만 광년 떨어진 전파 은하 0402+379를 관측했습니다. 관측 데이터 분석은 강력한 두 개의 전파 발생원이 중심부에 존재하며 이들이 서로 공전하는 거대 질량 블랙홀이라는 점을 강력히 시사하고 있습니다. 그 질량은 합쳐서 태양 질량의 150억배에 달할 만큼 큽니다. 따라서 강력한 중력에 의해 멀리 떨어진 위치에서도 서로를 중력의 힘으로 잡을 수 있습니다. 공전 주기 역시 24,000년에 달할 만큼 깁니다. 

 이 거대 블랙홀 쌍성계는 지구 - 알파 센타우리 크기와 비교했을 때 사실 1초에 1cm 정도로 느리게 서로의 질량 중심을 공전하고 있습니다. 하지만 주변의 물질에 의해 점차 공전 에너지를 잃어 먼 미래에는 매우 강력한 중력파를 방출하고 하나로 합쳐질 수 있습니다. 이는 과거에는 이론적인 추정이었으나 라이고(LIGO) 덕분에 이제 우리는 실제로 중력파를 검출할 수 있게 되었습니다. 물론 이 은하에서 검출할 수 있는 것은 먼 미래의 일이겠죠. 

 이번 관측은 관측 거리나 대상의 어려움 (극히 느린 속도로 공전하는 두 개의 블랙홀)을 극복하고 질량과 공전 주기 등 여러 가지 정보를 얻어냈습니다. 앞으로 과학기술의 발전에 따라서 더 많은 쌍성계 블랙홀의 존재가 증명될 것으로 보입니다. 

 참고 

More information: K. Bansal et al, Constraining the Orbit of the Supermassive Black Hole Binary 0402+379, The Astrophysical Journal (2017). DOI: 10.3847/1538-4357/aa74e1