(Map of the distant galaxy J0148-4214 in ionised hydrogen (Hα). The locations of the three massive black holes are indicated by black circles (not to scale). The most massive and least massive black holes are located in the galaxy centre; a third black hole is located in the galaxy outskirts. Credit: Hannah Übler)
은하계 중심에는 대부분 태양 질량의 수백만 배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 은하가 서로 충돌할 때 이 거대 질량 블랙홀은 대부분 서로 합체되거나 혹은 간혹 조건이 맞으면 외부로 탈출할 수 있습니다.
과학자들은 이 과정에서 드물게 두 개의 거대 질량 블랙홀이 한 은하에 존재하는 모습을 포착했습니다. 그리고 막스 플랑크 외계물리학 연구소가 이끄는 국제 천문학자 팀은 이보다 더 드문 경우를 포착했습니다.
연구팀 우주 초기 은하 J0148-4214에서 활발하게 물질을 흡수하는 초거대 블랙홀 세 개를 발견했습니다. 이 은하는 지구에서 125억 광년 이상 떨어져 있습니다. 이 거리에서는 은하의 팽창이 극적으로 늘어나기 때문에 은하에서 나오는 빛이 더 긴 파장 쪽으로 이동하여 큰 적색편이(z = 5.02)가 발생합니다.
J0148-4214에서 은하에서 나오는 빛이 지구까지 이동하는 데 125억 년이 걸리기 때문에 과학자들은 빅뱅 후 약 12억 년이 지난 시점의 매우 극초기 은하 모습을 관측할 수 있습니다. 이 시기엔 은하 간의 거리가 가깝고 충돌도 자주 발생했습니다. 따라서 두 개의 블랙홀은 그렇게 드문 일이 아니지만, 동시에 셋은 최초로 보고된 것입니다.
세 개 중 두 블랙홀은 은하 중심에 위치하며, 둘의 거리는 620광년 에 불과합니다. 세 번째 블랙홀은 은하 외곽에 위치하며, 중심에서 약 5,500광년 거리에 있습니다.
이는 물리적으로 상당히 먼 거리이지만, 125억 광년 떨어진 거리에서는 아무리 뛰어난 망원경으로도 분리해서 관측하기 쉽지 않은 거리입니다. 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경과 최신 관측 기술의 힘을 빌어 이 블랙홀들을 분리 관측하는데 성공했습니다.
연구팀은 고속으로 움직이는 수소 원자의 스펙트럼 특징, 즉 스펙트럼 지문을 통해 블랙홀을 식별했습니다. 중심부의 스펙트럼은 서로 매우 가까이 위치한 두 개의 블랙홀로 설명되는 복잡한 구조를 시사했습니다.
연구팀은 두 개의 중심 광원을 정확히 분리하기 위해 연구팀은 은하 전체에 걸쳐 방출선의 공간적 변화를 정밀하게 측정하는 분광천문학이라는 기술을 적용했습니다. 이를 통해 본래 구분하기 힘든 블랙홀들의 위치를 파악할 수 있었습니다. 그리고 동시에 외곽 영역에서 세 번째 블랙홀도 발견했습니다.
분석 결과 블랙홀의 질량은 각각 약 8천만, 60만, 200만 태양 질량으로 나타났습니다. 과학자들은 수억 년 이내에 이 블랙홀들이 하나로 합쳐질 것으로 예상했습니다. 아마도 우주 초기에는 두 개는 물론 세 개 이상의 거대 질량 블랙홀을 지닌 은하도 존재했을 것입니다.
이번 연구에서 과학자들은 적분장 분광법 (integral field spectroscopy)과 제임스 웹 우주 망원경의 NIRSpec-IFS 기술을 통해 여러 개의 블랙홀을 분리 관측하는데 성공했습니다. 이런 새로운 관측 기술과 분석법을 적용하면 앞으로 발견되는 다중 블랙홀의 숫자가 더 늘어나게 될 것으로 예상합니다
참고
https://phys.org/news/2026-08-supermassive-black-holes-galaxy.html
Hannah Übler et al, BlackTHUNDER: Evidence of three massive black holes in a z ∼ 5 galaxy, Astronomy & Astrophysics (2026). DOI: 10.1051/0004-6361/202557419
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