우주 이야기 1537 - 역대 가장 큰 블랙홀 후보 포착

 (Another image of the Cosmic Horseshoe, but with the pair of images of a second background source highlighted. The faint central image forms close to the black hole, which is what made the new discovery possible. Credit: NASA/ESA/Tian Li(University of Portsmouth))

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(The Cosmic Horseshoe gravitational lens. The newly discovered ultramassive blackhole lies at the center of the orange galaxy. Far behind it is a blue galaxy that is being warped into the horseshoe shaped ring by distortions in spacetime created by the immense mass of the foreground orange galaxy. Credit: NASA/ESA)

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포츠머스 대학의 토마스 콜렛 교수 (Professor Thomas Collett, of the University of Portsmouth) 연구팀이 역대 가장 큰 초거대질량 블랙홀 (ultramassive blackhole) 후보를 찾아냈습니다. 그 주인공은 블랙홀처럼 생기진 않아 보이는 우주 말발굽 중력 렌즈 (Cosmic Horseshoe gravitational lens)인데, 사실은 가운데 있는 거대 은하가 하나의 큰 중력 렌즈 역할을 해서 뒤에 있는 은하의 상을 고리 모양으로 왜곡했기 때문에 이렇게 보이는 것입니다.

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해당 은하는 50억 광년 정도 떨어진 거대 은하로 과거 다른 은하와의 충돌을 통해 거대 질량 블랙홀을 키워 나간 것으로 보입니다. 하지만 이렇게 멀리 떨어진 거대 질량 블랙홀의 질량을 정확히 측정한다는 것은 쉽지 않은 일입니다. 연구팀은 두 가지 방법을 이용해서 최대한 정확한 추정치를 계산했습니다.

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첫 번째 방법은 중력 렌즈를 이용하는 것인데, 이것만으로는 확신할 수 있는 수치를 제시하기 어렵습니다. 하지만 다행히 거대 은하 안쪽에 있는 별들이 초속 400km에 가까운 빠른 속도로 이동하는 모습이 포착되어 (위의 사진) 중력을 행사하는 초거대질량 블랙홀의 질량을 추정할 수 있게 됐습니다. 예상 질량은 태양의 360억 배로 우리 은하 중심 블랙홀의 9,000배에 달합니다.

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이 추정이 옳다면 이 초거대질량 블랙홀은 지금까지 발견된 가장 무거운 블랙홀 10개 중 하나일 뿐 아니라 아마도 가장 무거운 블랙홀일 가능성이 높아 졌습니다. 다만 이렇게 멀리 떨어져 있으면서 방출하는 물질도 없이 잠잠한 블랙홀의 질량은 좀 더 분석이 필요한 만큼 추가 관측과 연구에서 수정될 여지도 존재합니다. 물론 이보다 약간 작아지더라도 엄청난 크기의 블랙홀이라는 점은 의심의 여지가 없습니다.

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연구팀은 이 블랙홀이 우주에서 화석 그룹 (Fossil group)에 속하는 은하에 있다고 보고 있습니다. 주변에 충돌한 은하를 다 집어삼킨 오래된 은하로 그 가운데 있는 블랙홀 역시 이제는 많은 물질을 빨아들이지 않으면서 잠잠한 상태의 블랙홀이라는 의미입니다. 우리 국부 은하군의 경우 앞으로 45억 년 정도 후에 우리 은하와 안드로메다 은하가 충돌하면서 잠시간 블랙홀로 들어가는 물질의 양이 급격히 증가해 활동성 은하가 될 예정인데, 이후에 다른 집어 삼킬 은하가 없으면 더 크지만 잠잠한 블랙홀이 된 후 화석 그룹에 들어갈 가능성이 높습니다.

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아무튼 이 블랙홀은 이론적인 질량 한계에 근접한 경우로 보고 있는데, 확실히 이 정도 질량인 것으로 확인될지 궁금합니다. 그리고 이 질량을 능가할 초초거대질량 블랙홀이 발견될 수 있을지도 궁금합니다.

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참고

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https://phys.org/news/2025-08-billion-solar-masses-cosmic-horseshoe.html

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Carlos Carneiro et al, Unveiling a 36 Billion Solar Mass Black Hole at the Centre of the Cosmic Horseshoe Gravitational Lens, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf1036. academic.oup.com/mnras/article/541/4/2853/8213862