우주 이야기 843 - 두 개의 거대 질량 블랙홀 존재를 증명하다.

(Jets from double black holes change direction continuously. The effect can explain features in this 5 GHz radio map of 3C 334 and many powerful radio sources in the sky. The jet emanates from the nucleus of a galaxy (its stars are not visible at radio frequencies) about 10 billion light years from our own. The image spans five million light years from left to right. The peculiar structure of the jets signifies a periodic change of the direction of the jet (precession), an effect that is predicted for jets from black hole pairs. The inset diagram schematically illustrates the physical processes in the black hole pair. Jets may form in gas discs around black holes. The direction of the jets is tied to the spin of the black hole. The spin axis is shown as a red arrow. The latter changes direction periodically due to the presence of the second black hole. Credit: M. Krause / University of Hertfordshire)

 은하 중심에는 대부분 거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 과학자들은 태양 질량의 수백만배 이상 질량을 지닌 거대 질량 블랙홀을 다수 관측했습니다. 이들은 대부분 강력한 제트를 방출하기 때문에 먼 거리에서도 관측이 가능합니다. 그런데 흥미로운 사실은 대부분 거대 질량 블랙홀이 한 개라는 것입니다. 많은 은하들이 충돌을 통해 커졌다는 점을 생각하면 블랙홀 역시 충돌을 통해 더 큰 블랙홀이 됐다는 추정이 가능합니다. 

 허트포드셔 대학(University of Hertfordshire)의 마틴 크라우스 박사 (Dr. Martin Krause)와 그 동료들은 전파 망원경 관측 데이터와 이론적인 시뮬레이션을 통해 거대 질량 블랙홀이 쌍성계의 존재를 연구했습니다. 사실 아무리 큰 블랙홀이라도 지구에서 매우 먼 거리에 있으면 하나인지 두 개인지 구분해서 볼 수 있는 경우는 상당히 떨어져 있는 경우를 제외하면 어렵다고 할 수 있습니다. 

 따라서 과학자들은 간접적인 방법을 생각했는데, 바로 강력한 물질의 분출인 제트의 방향을 관측하는 것입니다. 만약 충돌할 수밖에 없는 가까운 위치에 거대 질량 블랙홀이 있을 경우 제트의 방향은 공전 주기에 따라서 흔들리게 될 것입니다. 하지만 실제로는 3차원적인 이동이라도 지구에서 봤을 때는 평면에 가까운 움직임이기 때문에 이를 전파 망원경으로 검출한다는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 

 연구팀은 최신의 컴퓨터 시뮬레이션과 고해상도 전파 망원경 관측 결과를 종합해 블랙홀 쌍성계일 가능성이 높은 은하들을 확인했습니다. (위의 사진) 이번 연구에서는 충돌 과정에 들어선 거대 질량 블랙홀의 존재를 확인했는데, 대표적으로 100억 광년 떨어진 3C 334가 그렇습니다. 500만 광년에 걸친 거대한 제트의 형태로부터 중심부의 거대 질량 블랙홀이 하나가 아니라 두 개라는 점을 추정할 수 있는데, 이들이 충돌하면 거대 중력파의 형태로 지구에서도 검출이 가능합니다. 

 우주의 역사를 통해 이런 거대 질량 블랙홀은 여러 차례 충돌하면서 더 거대한 블랙홀이 되었을 것입니다. 우리 은하 역시 예외는 아니었을 것으로 생각됩니다. 

 참고 

Martin G H Krause et al, How frequent are close supermassive binary black holes in powerful jet sources?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2018). DOI: 10.1093/mnras/sty2558 

 https://phys.org/news/2018-10-astronomers-supermassive-black-hole-mergers.html#jCp