우주 이야기 932 - 블랙홀의 빠른 자전 속도를 확인하다

(Credit: NASA/CXC/Univ. of Oklahoma/X. Dai et al.)

우주의 다른 천체와 마찬가지로 블랙홀 역시 자전합니다. 블랙홀의 경우 강착 원반에서 흡수되는 물질의 각운동량이 전해지면서 시간이 지날수록 점점 빨라지게 됩니다. 물론 블랙홀의 자전 속도를 직접 측정하기는 어렵지만, 이론적으로 블랙홀의 경계가 되는 사상의 지평면 (event horizon)에서 광속에 가까운 빠른 속도로 자전할 수 있습니다. 물론 광속보다 더 빠를 순 없으며 블랙홀의 질량이 커지면 슈바르츠발츠 반지름도 같이 커지면서 자전 속도를 느리게 하는 효과도 있습니다 .

나사의 찬드라 X선 위성은 6개의 멀리 떨어진 퀘이사를 관측해 그 속도를 간접적으로 측정했습니다. 퀘이사는 막대한 물질을 흡수하면서 강력한 제트를 분출하는 은하 중심 블랙홀로 그 주변에는 블랙홀로 흡수되는 물질의 원반인 강착 원반이 존재합니다. 이들이 블랙홀 주변에서 회전하는 속도를 측정하면 블랙홀의 자전 속도를 간접적으로 측정할 수 있습니다.

물론 퀘이사까지의 거리가 88-109억 광년으로 매우 멀기 때문에 아무리 밝은 퀘이사라도 그냥은 관측이 어렵고 중력 렌즈의 도움을 받아야 합니다. 연구팀은 별에 의한 마이크로 중력 렌즈의 도움을 받아 미세한 부위의 속도를 측정할 수 있었습니다.

(동영상)

관측 결과 한 퀘이사는 광속의 70% 혹은 그 이상 속도로 회전하고 있었으며 나머지 4개도 광속의 절반 정도 속도로 움직이는 것이 확인되었습니다. 마지막 한 개의 퀘이사는 속도를 측정하는데 실패했지만, 블랙홀이 매우 빠른 속도로 회전하고 있다는 사실은 분명해 보입니다.

여러 가지 극단적인 현상이 일어나는 블랙홀은 과학자들은 물론 일반인들까지 매혹시킨 미스터리 천체입니다. 앞으로 이에 대한 연구가 계속될 것입니다.

참고

Xinyu Dai et al. Constraining Quasar Relativistic Reflection Regions and Spins with Microlensing, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab1d56

On Arxiv: arxiv.org/abs/1901.06007

https://phys.org/news/2019-07-x-rays-black-holes-cosmic-sea.html

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