(The "color" of X-rays from the vicinity of the black hole, precisely measured by the X-ray astronomical satellite XRISM. The wavelengths are stretched, and the colors are changed due to general relativistic effects. (Top Right) An image of the jet obtained by the Global Millimeter VLBI Array at a wavelength of 3 mm. (Bottom) An artist's impression of the environment around a rapidly feeding supermassive black hole. The cold, flat accretion disk truncates at roughly 20 times the black hole's radius, transitioning into a hot accretion flow inside of which the jet is launched. Credit: Tohoku University)
블랙홀의 역설 중 하나는 검은 구멍이 아니라 사실 강력한 에너지와 물질을 내뿜는 존재가 될 수 있다는 것입니다. 특히 은하 중심에 있는 초거대 블랙홀은 주변 물질을 빠르게 흡수하는 동시에 거의 빛의 속도로 강력한 제트를 우주로 방출합니다. 블랙홀의 제트에 대해서는 앞서 영상에서 설명한 바 있습니다.
그런데 사실 급하게 먹어대는(고흡수율, high-accretion-rate) 블랙홀 주위에는 이론적으로 차가운·평탄한(geometrically-thin) 원반이 형성됩니다. 하지만 강력한 상대론적 제트(relativistic jet)를 만들려면, 블랙홀 근처에 뜨겁고 두꺼운 플라즈마 흐름과 그 안에 축적된 강한 자기장이 필요합니다.
이와 같은 역설적 상황을 설명하기 위해 일본 도호쿠 대학의 노다 히로후미 부교수와 나고야 시립 대학의 하다 카즈히로 부교수 (associate professor Hirofumi Noda of Tohoku University and associate professor Kazuhiro Hada of Nagoya City University)가 이끄는 연구팀은 황소자리 방향에 위치한 활동 은하인 3C 120을 관측했습니다.
연구팀은 X선 영상 및 분광 관측 임무(XRISM, X-ray Imaging and Spectroscopy Mission)의 관측 자료와 국제적인 전파 및 밀리미터파 망원경 네트워크를 결합하여, 연구팀은 빠르게 물질을 흡수하는 초거대 블랙홀이 강력한 상대론적 제트를 분출할 수 있는 조건을 규명했습니다. 해당 연구는 The Astrophysical Journal Letters 에 게재되었습니다 .
3C 120큰 중심에 약 6.3×10⁷ M☉(태양 질량의 약 6천만 배)의 초질량 블랙홀을 품고 있습니다. 연구팀은 이 블랙홀이 많은 물질을 흡수하면서도 강력한 제트를 뿜어내는 이유를 전파와 X선 영역 관측을 통해 규명했습니다.
XRISM 망원경은 블랙홀을 둘러싼 강착 원반에서 나오는 철 방출선을 감지했습니다. 이 방출선의 형태는 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 영향으로 왜곡되는데, 이를 통해 연구자들은 강착 원반이 블랙홀에 얼마나 가까이 뻗어 있는지를 파악할 수 있었습니다.
X선 관측 결과에 따르면 차갑고 비교적 평평한 강착 원반은 블랙홀 반지름의 약 20배 지점에서 끝납니다. 이 지점 안쪽에는 수억 도에 달하는 뜨거운 플라스마를 지닌 구역이 있어 블랙홀 제트 형성에 필요한 에너지를 공급합니다.
이와 동시에 연구팀은 글로벌 밀리미터 VLBI 배열, 초장기선 배열 및 동아시아 VLBI 네트워크를 이용한 전파 및 밀리미터 관측을 통해 좁아지는 제트가 블랙홀 근처의 이 뜨거운 흐름 내에서 시작된다는 것을 다시 확인했습니다.
이 뜨거운 환경은 블랙홀 주변에 자기장이 축적되도록 합니다. 그리고 자기장은 블랙홀의 회전 에너지 일부를 추출 하여 강력한 제트로 전환하는 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 이는 빠르게 물질을 흡수하는 초거대 블랙홀이 어떻게 상대론적 제트를 생성할 수 있는지를 보여주는 결과입니다.
정리하면 원반 단절(disk truncation) → 뜨거운 안쪽 흐름 → 자기장 축적 → 제트 발사라는 내부 구조가 차가운 물질을 대량 흡수하는 블랙홀이 초고온 환경이 필요한 제트를 생성할 수 있게 도와줍니다.
다만 이 연구는 한 개의 거대 질량 블랙홀 관측 결과에 기반하고 있어 추가 관측이 필요합니다. 연구팀은 더 질량이 큰 블랙홀에 대해 XRISM과 전파망원경 네트워크를 활용한 추가 조합 관측을 진행 중이며, 이를 이론 모델과 컴퓨터 시뮬레이션(GRMHD 등)과 비교할 계획입니다.
이를 통해 궁극적으로는 물질·자기장·블랙홀 회전이 극한 환경에서 어떻게 상호작용하는지, 그리고 그것이 은하 진화와 우주 대규모 구조에 어떤 영향을 미치는지를 이해하려는 목표를 두고 있습니다. 오랜 세월 블랙홀의 제트는 블랙홀 자체만큼 수수께끼였지만, 과학자들은 그 수수께끼를 하나씩 풀어 나가고 있습니다.
참고
Hirofumi Noda et al., Disk Truncation Triggers Relativistic Jet Launching of a Highly Accreting Supermassive Black Hole, The Astrophysical Journal Letters (2026). DOI: 10.3847/2041-8213/aeaa2c
Journal information: Astrophysical Journal Letters
https://phys.org/news/2026-10-hot-plasma-rapidly-black-holes.html
댓글
댓글 쓰기