[아하! 우주] 여섯 은하를 ‘중력 그물’로 잡은 거대질량 블랙홀 발견

이른바 빅뱅으로 불리는 대폭발이 일어나 우주가 형성된 지 불과 10억 년도 채 지나지 않은 초기 우주에서 한 초질량 블랙홀의 중력 그물에 얽힌 은하 여섯 개가 발견됐다.

이탈리아 국립천체물리연구소(INAF) 등 국제연구진은 우주가 시작된 직후 하나의 초질량 블랙홀 주위에 이렇게 많은 은하가 밀집한 사례는 이번이 처음이라고 밝혔다.

우주 초기에 발생한 블랙홀들은 최초의 별들의 붕괴로부터 형성한 것으로 여겨지지만, 천문학자들은 지금까지 이들 블랙홀이 어떤 방법으로 빠르게 태양의 10억 배에 달하는 질량으로 거대하게 성장할 수 있었는지는 잘 알지 못했다.

그런데 이번 연구에서는 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT) 등을 사용해 초질량 블랙홀을 둘러싸고 있는 여섯 은하가 그물처럼 얽히고설켜 있는 모습이 발견돼 이들 은하가 블랙홀의 연료로 쓰일 많은 가스를 포함한 그물망 같은 구조 안에서 성장하고 있음을 시사한다.

초질량 블랙홀은 비교적 흔한 우주의 현상으로, 우리 은하를 포함한 대부분 은하의 중심에 출현한다.

연구 주저자로 INAF의 천문학자 마르코 미뇰리 박사는 “이 연구는 우주 초기의 초질량 블랙홀을 이해하려는 열망 덕분에 추진됐다”면서 “이는 극단적인 은하 시스템으로 우리는 지금까지 초기 초질량 블랙홀의 존재에 대해 적절하게 설명하지 못했다”고 지적했다. 이 초질량 블랙홀을 둘러싸고 있는 여섯 은하는 모두 우리 은하의 300배 이상 크기에 달하는 거미줄 같은 우주 가스 속에 얽혀 있다.

미뇰리 박사는 “우주의 그물 가닥(웹 필라멘트)은 거미줄과 같다”면서 “은하들은 그 가닥들이 교차하는 곳에 멈춰 성장한다”면서 “은하들과 그 중심의 초질량 블랙홀에 연료를 공급하기 위해 사용할 수 있는 가스의 흐름은 그 가닥들을 따라 흐를 수 있다”고 설명했다.

태양 10억 개의 질량을 지닌 이 초질량 블랙홀로부터 얽혀 있는 커다란 거미줄 같은 구조에서 나오는 빛은 우주가 탄생한 지 9억 년쯤 됐을 때부터 지구에 날아오기 시작했다.

이 발견은 빅뱅 이후 비교적 풍부하지만 이처럼 극단적인 초질량 블랙홀들이 어떻게 그렇게 빨리 형성했는지에 관한 퍼즐의 일부 조각을 채우는 데 도움이 됐다고 연구진은 말했다.

최초의 블랙홀들은 우주가 태어난 지 처음 9억 년 안에 질량이 10억 배까지 도달하려면 매우 빠르게 성장했던 것으로 추정된다.

이번 연구에서는 초기 우주의 초질량 블랙홀이 빠르게 성장할 수 있었던 이유가 암흑물질 헤일로 때문일 수 있다고 예측한다. 암흑물질 헤일로는 암흑물질로 구성된 은하의 가상적 구성 요소를 말한다.

연구에 공동저자로 참여한 미국 존스홉킨스대 교수인 콜린 노먼 박사는 “이번 발견은 거대한 거미줄 모양의 구조들에 있는 암흑물질 헤일로 안에서 초질량 블랙홀들이 형성하고 성장한다는 이론을 지지한다”고 말했다.

이처럼 암흑물질로 이뤄져 보이지 않는 넓은 영역은 초기 우주에서 엄청난 양의 가스를 끌어들인 것으로 여겨진다. 그 가스와 보이지 않는 암흑물질이 함께 은하와 블랙홀이 진화할 수 있는 거미줄 같은 구조를 형성해 블랙홀들이 초질량이 되도록 했다는 것이다. 이번에 발견된 여섯 은하는 현재 지구나 우주에 기반을 둔 망원경을 사용한 관측 연구에서 발견된 일부분에 지나지 않을 수 있다. 이들 은하보다 덜 밝은 은하들을 찾으려면 더 큰 망원경이 필요하다.

이에 대해 또 다른 공동저자인 INAF의 천문학자 바르바라 발마베르데 박사는 “우리는 이제 빙산의 일각을 발견했으며 이 초질량 블랙홀 주변에서 지금까지 발견한 몇몇 은하는 단지 가장 밝을 뿐”이라고 설명했다.

자세한 연구 결과는 국제 학술지 ‘천문학과 천체물리학’(Astronomy & Astrophysics) 10월호에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr