우리나라 연구팀이 참여한 국제 공동연구진이 45억 광년 떨어진 은하의 중심부에서 쌍둥이 블랙홀을 찾아냈다.

두 은하가 충돌한 후 병합되기 직전의 두 은하 중심부에 자리한 블랙홀을 포착한 것으로, 쌍둥이 블랙홀은 은하의 중심부에 있는 블랙홀 중에서 병합과정에 있는 두 개의 블랙홀. 은하와 블랙홀의 공동진화를 이해하는 중요한 단서가 된다.

 

특히 은하병합의 마지막 단계에 있는 쌍둥이 블랙홀이 보고된 것은 이번이 처음이다.

 

은하병합은 두 개의 은하가 충돌하여 약 20억년의 기간 동안 서서히 하나의 은하로 재탄생하는 과정으로 각각의 은하의 중심부에 있던 블랙홀도 쌍둥이 블랙홀이 되었다가 결국 하나의 블랙홀로 진화하게 된다.

12일 미래창조과학부에 따르면 서울대학교 물리천문학부 우종학 교수팀이 미래창조과학부(한국연구재단 위탁)가 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 영국 왕립천문학회지 온라인판 11월 11일자에 게재 (논문명 : A sub-kpc-scale binary active galactic nucleus with double narrow-line regions)됐다.
  

한편 독일과 미국의 공동연구자와 협력하여 이뤄진 이번 연구에는 칠레 북부 소재 유럽남천문대의 구경 8.4미터 거대망원경과 허블우주망원경의 자료가 이용됐다.

두 은하가 충돌하면 각각 은하의 중심부에 있던 서로 다른 두 개의 블랙홀도 충돌하여 하나로 합쳐질 것으로 예측되었다.

하지만 블랙홀은 빛을 방출하지 않아 검출이 어려운데다, 병합후기쌍둥이 블랙홀은 서로 가까이 있어 구분하기 어려워 충돌후기에 있는 쌍동이 블랙홀이 확인된 적이 없었다.

이에 연구팀은 블랙홀 근처의 가스 운동을 측정하는 방식으로 두 개 쌍둥이 블랙홀의 존재와 위치를 알아냈다.

▲ SDSS J132323.33-015941.9라는 이름을 가진 병합단계 후기의 은하 - 사진 : 미래창조과학부

▲ 관측에 이용된 칠레 북부지방에 위치한 유럽남천문대 소재 구경 8.4미터의 거대망원경 - 사진 : 미래창조과학부

▲ 쌍둥이 블랙홀을 소유한 것으로 유명한 NGC 6240의 엑스선 관측 사진 - 사진 : 미래창조과학부

 

기존 엑스선 관측으로 확인된 2개의 쌍둥이 블랙홀은 병합초기 단계의 것으로, 병합후기 단계의 은하에서 쌍둥이 블랙홀이 확인된 것은 이번이 처음이다.

이번 은하병합 후기의 쌍둥이 블랙홀 발견으로 블랙홀 충돌과정에 대한 후속연구의 물꼬를 틀 것으로 기대된다.

약 2,600광년 거리에 떨어져 있는 두 개 은하의 핵이 점점 가까워지고 있으며, 각각의 핵에 블랙홀이 존재한다는 증거를 찾은 것이다.

두 개의 계란을 그릇에 깨어 담으면 흰자는 한 덩어리가 되지만 노른자는 두 개로 남아 있듯, 은하는 합쳐졌지만 두 개의 핵은 아직 하나로 합쳐지지 않은 채 남아 있는 상태다. 

블랙홀은 직접 관측이 어렵지만 가스가 유입되면 막대한 에너지가 빛으로 방출되기 때문에 존재를 확인할 수 있다.

이에 연구팀은 블랙홀 주변에서 이온화되어 방출되는 가스를 추적했다. 첨단분광기를 이용해 은하 중심부의 가스의 분포와 운동을 정밀하게 측정한 것이다.

그 결과 두 개의 가스 성분이 서로 다른 위치에서 다른 속도를 갖는 것을 확인하고, 이 가스 성분이 두 개의 은하핵의 위치와 일치함을 통해 형과 아우 블랙홀을 찾아냈다.

우 교수는 “두 개의 쌍둥이 블랙홀이 수억 년 후 수 광년 거리만큼 가까워지고, 결국 충돌을 통해 하나의 블랙홀로 재탄생할 것으로 예상된다”고 설명했다.