(Artist’s impression of a spiral galaxy embedded in a larger distribution of invisible dark matter, known as a dark matter halo (colored in blue). Studies looking at the formation of dark matter haloes have suggested that each halo could harbor a very dense nucleus of dark matter, which may potentially mimic the effects of a central black hole, or eventually collapse to form one. Credit ESO/L. Calçada, CC BY 4.0)
은하 중심에는 태양 질량의 수십만배에서 수십억배 이상의 질량을 지닌 거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 이들은 오랜 세월 물질 밀도가 높은 은하 중심부에서 질량을 흡수해 점점 커졌습니다. 이렇게 생각하면 은하 중심에 거대 질량 블랙홀이 있는 것은 당연하게 여겨질 수 있으나 사실 논쟁의 여지가 없는 것은 아닙니다. 과학자들은 우주 극초기에도 상당한 질량의 은하 중심 블랙홀이 존재한다는 사실을 발견하고는 놀라지 않을 수 없었습니다.
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아르헨티나 라플라타 국립 대학의 카를로스 R. 아귤레스 (Carlos R. Argüelles, the researcher at Universidad Nacional de La Plata and ICRANet)가 이끄는 연구팀은 우리가 보는 물질이 아니라 관측이 불가능한 암흑 물질이 거대 질량 블랙홀 형성에 결정적인 영향을 미치는 새로운 모델을 제시했습니다.
암흑물질은 아직 그 정체를 모르지만, 우주 물질의 80% 이상을 차지하는 신비의 물질입니다. 과학자들은 이를 직접 관측하는데 실패했지만, 암흑 물질이 행사하는 중력을 통해 그 존재를 간접적으로 입증했습니다. 연구팀은 은하 중심부에 높은 밀도로 존재하는 암흑 물질을 통해 은하 중심 블랙홀이 직접 형성되는 모델을 제시했습니다.
이 모델에 따르면 우주 초기부터 거대 질량 블랙홀이 은하 중심에 존재하는 이유를 쉽게 설명할 수 있습니다. 반면 은하 헤일로에 있는 왜소 은하에서 거대 질량 블랙홀은 쉽게 생성되기 어려운데, 이 역시 관측 사실과 부합됩니다.
은하 중심의 거대 질량 블랙홀은 그냥 은하에서 가장 큰 블랙홀이 아니라 은하의 가스를 흡수해 외부로 방출하면서 은하의 성장과 진화를 조절하는 핵심적인 천체입니다. 따라서 암흑 물질이 거대 질량 블랙홀의 탄생과 진화에 큰 영향을 미쳤다면 은하와 우주 진화에 핵심적인 역할을 하는 것으로 이해할 수 있습니다.
사실 암흑 물질의 중력이 아니라면 은하와 은하단은 지금의 형태를 유지할 수 없습니다. 그리고 우리가 알고 있는 은하의 진화 역시 암흑 물질 없이는 사실 설명되지 않을 것입니다. 따라서 그 정체를 알아내지 못한다면 우주를 이해하는 데 큰 한계가 있는 셈입니다. 과연 언제 암흑 물질의 정체가 밝혀지게 될 지 궁금합니다.
참고
https://phys.org/news/2021-02-supermassive-black-holes-dark.html
Carlos R Argüelles et al, On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2020). DOI: 10.1093/mnras/staa3986
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