(An artist’s rendering of the inner regions of an active galaxy/quasar, with a supermassive black hole at the center surrounded by a disk of hot material falling in. The inset at the bottom right shows how the brightness of light coming from the two different regions changes with time. The top panel of the plot shows the “continuum” region, which originates close in to the black hole (the general vicinity is indicated by the “swoosh” shape). The bottom panel shows the H-beta emission line region, which comes from fast-moving hydrogen gas farther away from the black hole (the general vicinity is indicated by the other “swoosh”). The time span covered by these two light curves is about six months. The bottom plot “echoes” the top, with a slight time delay of about 10 days indicated by the vertical line. This means that the distance between these two regions is about 10 light-days (about 150 billion miles, or 240 million kilometers). Credit: Nahks Tr’Ehnl (www.nahks.com) and Catherine Grier (The Pennsylvania State University) and the SDSS collaboration)
(A graph of known supermassive black hole masses at various “lookback times,” which measures the time into the past we see when we look at each quasar. More distant quasars have longer lookback times (since their light takes longer to travel to Earth), so we see them as they appeared in the more distant past. The Universe is about 13.8 billion years old, so the graph goes back to when the Universe was about half of its current age. The black hole masses measured in this work are shown as purple circles, while gray squares show black hole masses measured by prior reverberation mapping projects. The sizes of the squares and circles are related to the masses of the black holes they represent. The graph shows black holes from 5 million to 1.7 billion times the mass of the sun. Credit: Catherine Grier (The Pennsylvania State University) and the SDSS collaboration)
은하 중심의 거대 질량 블랙홀은 우주에서 가장 질량이 큰 천체입니다. 밀도가 무한대이기 때문에 사실상 커질 수 있는 질량 한계는 존재하지 않기 때문입니다. 우리 은하계에는 태양 질량의 400만배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 있고 다른 은하계에는 10억배가 넘는 초 거대 질량 블랙홀도 발견된 바 있습니다.
천문학자들은 우주에 대한 대규모 지도인 SDSS(Sloan Digital Sky Survey) 를 이용해서 우주의 거대 질량 블랙홀의 분포를 연구하고 있습니다. 그 결과물은 시간이 지나면서 점차 데이터가 축적되면서 우리 우주의 모습을 보여주고 있습니다.
지난 수십 년의 관측을 통해 천문학자들은 거의 모든 은하가 중심부에 거대 질량 블랙홀을 지니고 있다는 사실을 발견했습니다. 하지만 사실 멀리 떨어진 거대 질량 블랙홀의 질량을 정확히 측정하는 일은 매우 어렵습니다. 블랙홀의 존재는 강력한 제트를 통해 쉽게 증명할 수 있지만, 질량은 그렇지 않기 때문입니다.
과학자들은 멀리 떨어진 거대 질량 블랙홀의 질량을 추정할 수 있는 간접적인 방법을 개발했습니다. 그 방법은 반향 (reverberation) 맵핑입니다. 맨 위의 개념도처럼 블랙홀 주변에서 흡수되는 물질의 모임인 강착원반의 특징을 조사하는 방법입니다.
블랙홀에 가까이 있는 강착 원반 가스는 매우 일정한 속도를 지닌 continuum 지역이 되지만 블랙홀에서 먼 지역의 수소 가스는 속도가 빨라져 H-beta emission line을 보이게 됩니다. 이 두 지역 사이로 빛이 지나가는 시간은 블랙홀의 중력 및 질량과 비례하기 때문에 이를 통해 거대 질량 블랙홀의 질량을 추정할 수 있다고 합니다. 빛이 도달하는 시간이 길수록 거리가 먼 것이고 더 큰 강착원반을 지녔기 때문에 더 거대한 블랙홀이라고 할 수 있습니다.
이렇게 추정한 블랙홀의 질량은 위의 그래프에 표시되어 있습니다. 태양 질량의 500만배에서 17억배에 달하는 거대 질량 블랙홀의 분포는 우주에 수많은 거대 질량 블랙홀이 존재함을 보여줍니다. SDSS 팀은 44개의 퀘이사의 질량을 측정했는데, 대부분 거리가 워낙 멀기 때문에 이를 측정하는 일은 매우 어려운 과제 가운데 하나였다고 합니다. 거대 질량 퀘이사의 질량 분포는 비교적 젊은 나이의 우주에도 초거대 질량 블랙홀이 드물지 않았음을 보여줍니다.
하지만 사실 과학자들이 질량을 확인한 퀘이사의 숫자는 많지 않습니다. 연구팀은 850개의 퀘이사의 질량을 측정하기 위해서 노력하고 있으며 아마도 이를 통해 지금까지 본 적이 없는 초 거대 질량 블랙홀의 존재가 증명될지도 모릅니다. 이런 거대 질량 블랙홀은 은하의 진화에서 매우 중요한 역할을 하기 때문에 많은 과학자들이 관심을 가지고 연구를 진행하고 있습니다.
과연 얼마나 거대한 블랙홀이 존재할 지 결과가 주목됩니다.
참고
C. J. Grier et al. The Sloan Digital Sky Survey Reverberation Mapping Project: Hα and Hβ Reverberation Measurements from First-year Spectroscopy and Photometry, The Astrophysical Journal (2017). DOI: 10.3847/1538-4357/aa98dc
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