(Data from NASA/ESA's Hubble Space Telescope (yellow-white) and NASA's Chandra X-ray Observatory (purple). The purple-white source in the lower left shows X-ray emission from the remains of a star that was ripped apart as it fell towards an intermediate mass black hole. The host galaxy of the black hole is located in the middle of the image. Credit: X-ray: NASA/CXC/UNH/D.Lin et al, Optical: NASA/ESA/STScI)
(The X-ray source 3XMM J215022.4−055108, viewed with ESA’s XMM-Newton X-ray space observatory in 2006 (left) and 2009 (right). This is the best-ever candidate for a very rare and elusive type of cosmic phenomenon: a so-called intermediate-mass black hole in the process of tearing apart and feasting on a nearby star. This rare breed of black hole was spotted as it disrupted and tore apart a nearby star, gorging on the resulting debris and throwing off an enormous amount of light in the process. It has a mass of around fifty thousand times that of the Sun, and is located within a massive cluster of stars on the outskirts of a galaxy some 740 million light-years away. A comparison between these two images shows how the burst of energy released by this powerful event gradually decreased over the years. Credit: European Space Agency)
블랙홀은 크게 두 종류로 나눌 수 있습니다. 항성 질량 블랙홀은 무거운 별의 잔해에서 생성된 것으로 통상 태양 질량의 수십 배 이하 크기입니다. 이에 비해 거대 질량 블랙홀은 태양 질량의 수백만배 이상의 큰 크기로 거의 모든 은하의 중심부에 존재합니다.
그런데 드물기는 하지만 그 중간에 해당하는 질량을 지닌 중간 질량 블랙홀도 존재합니다. 이런 중간 질량 블랙홀은 항성 질량 블랙홀이 성장한 것으로 추정되는데 사실 관측이 매우 어려워 많은 내용이 알려지지 않았습니다.
최근 유럽 우주국의 XMM-Newton 관측 위성은 중간 질량 블랙홀이 별을 흡수하면서 X선 방출하는 장면을 포착했습니다. 이 블랙홀은 지구에서 7억 4천만 광년 떨어진 대형은하의 외곽에 위치하고 있습니다. 이 위치에서 발견된 이유는 아마도 이 블랙홀이 구상 성단에 중심에 위치하고 있기 때문으로 해석됩니다. 그래서 다른 별을 흡수할 기회를 쉽게 가질 수 있는 것이죠.
별이 밀집한 성단은 은하 중심만큼 질량이 많지는 않지만, 그래도 많은 별과 가스를 지니고 있어 블랙홀이 성장하기 적합한 환경입니다. 그래도 보통 이런 블랙홀은 거의 물질을 흡수하지 않아서 먼 거리에서 우연히 관측되기는 매우 어렵습니다.
뉴햄프셔 대학의 다쳉 린(Dacheng Lin of the University of New Hampshire)을 비롯한 연구자들은 XMM-Newton 관측 위성 데이터 및 나사의 찬드라 X선 위성과 스위프트 위성 데이터 등을 비교해 3XMM J215022.4−055108의 존재를 찾아냈습니다. 대략 태양 질량의 5000배 정도 되는 중간 질량 블랙홀로 이번에 검출이 가능했던 이유는 지나가던 별을 흡수하면서 강력한 X선을 방출했기 때문입니다. 아마도 이 블랙홀은 이런 식으로 성장해서 지금 정도 크기가 된 것으로 보입니다.
과학자들은 이와 같은 형태로 블랙홀이 성장할 것이라고 생각해 왔으나 그 증거를 포착하기는 어려웠습니다. 이번 발견은 항성 질량 및 중간 질량 블랙홀이 별을 먹으면서 커진다는 사실을 시사하는 결과라고 할 수 있습니다. 물론 이런 경우가 드물긴해도 우주의 크기를 생각하면 더 많이 있을 가능성이 높습니다. 앞으로 후속 연구가 필요한 이유입니다.
별을 잡아먹으면서 성장하는 블랙홀은 어딘지 모르게 우리에게 친숙한 존재입니다. 블랙홀이라고 하면 뭐든지 삼키는 검은 구멍의 이미지가 강하니까요. 하지만 이 과정에서 블랙홀은 많은 물질을 내뿜으면서 주변 물질 분포를 변화시키고 중력을 통해 천체의 움직임에 영향을 줍니다. 이 과정을 연구하는 것은 블랙홀은 물론 우주의 진화를 이해하는 데 중요한 일이 될 것입니다.
참고
Dacheng Lin et al, A luminous X-ray outburst from an intermediate-mass black hole in an off-centre star cluster, Nature Astronomy (2018). DOI: 10.1038/s41550-018-0493-1, Arxiv: https://arxiv.org/abs/1806.05692]
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