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우주 이야기 1615 - 근접한 초거대 질량 블랙홀 쌍성계 포착


 

(The artistic rendering shows the center of the galaxy Markarian 501, from which two powerful jets emanate. The radio observations are visible as contours in the background. Credit: Emma Kun / HUN-REN Konkoly Observatory / Made with the support of AI)

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우리 은하 중심에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 초거대질량 블랙홀 (Supermassive black holes, SMBH)이 존재합니다. 그리고 안드로메다 등 다른 거대 은하 중심에는 이보다 더 큰 초거대 질량 블랙홀도 볼 수 있습니다.

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이렇게 거대한 질량을 지닌 블랙홀이 존재하기 위해서는 단순히 주변에서 물질을 흡수하기만 해서는 안되고 거대 질량 블랙홀끼리 충돌과 합체를 거듭하면서 커져야 합니다. 과학자들은 수많은 은하 충돌의 증거를 발견했는데, 이 과정에서 두 은하에서 가장 무거운 천체인 거대 질량 블랙홀에 서로의 중력에 이끌린 후 하나로 합체되는 것으로 보입니다.

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문제는 은하 충돌은 쉽게 포착되는 반면 초거대 질량 블랙홀 간의 충돌은 좀처럼 쉽게 포착하기 힘들다는 것입니다. 초거대 질량 블랙홀 주변에는 많은 가스와 별이 밀집해 있어 내부를 들여다보기 힘들 뿐 아니라 두 블랙홀이 가까이 다가서면 먼 지구에서 분리해 포착하기에는 너무 작게 보이기 때문입니다.

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막스 플랑크 전파천문학 연구소(MPIfR)의 실케 브리첸 (Silke Britzen)이 이끄는 연구팀은 마르카리안 501 은하 (Markarian 501)에서 서로 매우 가까이 공전하는 두 개의 초거대 블랙홀을 발견했습니다.

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연구팀은 마카리안 501(Mrk 501) 은하 중심에서 광속에 가까운 속도로 입자들을 뿜어내고 있는 제트 관측 자료를 분석했습니다. 23년 간 데이터를 분석한 결과 연구팀은 이 제트가 마치 물 위에 떠 있는 것처럼 이동한다는 점을 발견했습니다.

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더 결정적 증거는 2022년 6월에 이 시스템에서 방출된 복사선에서 나왔습니다. 이 복사선은 매우 구불구불한 경로를 따라 지구에 도달해 상대성 이론에 따라 나타나는 아인슈타인 고리처럼 보였습니다.

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이에 대한 가장 유력한 설명은 이 시스템이 관측자를 향해 완벽하게 정렬되어 있었다는 것입니다. 앞에 있는 블랙홀의 중력 렌즈 효과가 뒤에 있는 두 번째 제트의 빛을 변형시켰다면 이 현상을 쉽게 설명할 수 있습니다.

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연구팀은 제트의 밝기 변화와 반복되는 패턴을 분석하여 두 블랙홀이 약 121일 주기로 서로를 공전한다는 사실을 밝혀냈습니다. 두 블랙홀 사이의 거리는 지구와 태양 사이 거리의 약 250~540배에 달하는데, 이는 태양 질량의 1억 배에서 10억 배에 이르는 거대한 천체로서는 매우 작은 거리입니다. 실제 질량에 따라 두 블랙홀 사이의 거리는 매우 빠르게 줄어들어 100년 안에 합쳐질 수도 있습니다.

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다만 Mrk 501과 지구 사이의 거리가 매우 멀기 때문에 인류가 지닌 어떤 최첨단 관측 장비로도 두 블랙홀을 별개의 천체로 촬영할 수 없습니다. 2019년과 2022년에 최초로 블랙홀 이미지를 제공한 사건의 지평선 망원경(EHT)조차도 불가능합니다. 가능한 유일한 방법은 중력파를 관측하는 것입니다.

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두 블랙홀이 가까워지면 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 중력파를 방출하게 되어 있습니다. Mrk 501 블랙홀 쌍은 매우 낮은 주파수의 중력파를 방출할 것으로 예상되며 , 이는 펄서 타이밍 어레이(pulsar timing arrays, PTA)를 이용해 감지할 수 있습니다.

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만약 중력파가 감지된다면, 두 거대 블랙홀이 충돌을 향해 나선형으로 이동함에 따라 그 주파수가 꾸준히 증가하는 것을 관찰할 수 있을 것이며, 이는 초대형 블랙홀 병합 과정을 직접 목격할 수 있는 드문 기회가 될 것입니다.

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PTA는 이미 관측 들어갔기 때문에 앞으로 관측 결과가 주목됩니다.

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참고

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https://phys.org/news/2026-04-pair-supermassive-black-holes.html#google_vignette

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S Britzen et al, Detection of a second jet within the nuclear core of Mrk 501, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026). DOI: 10.1093/mnras/stag291

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