두 초대질량 블랙홀이 합쳐지는 과정을 컴퓨터로 시뮬레이션한 장면. NASA 고다드 우주비행센터, 스캇 노블 제공


약 5억 광년 밖 은하 중심부에서 두 초대질량 블랙홀이 서로를 공전하고 있다는 첫 직접 증거가 포착됐다. 빠르면 100년 안에 충돌할 것으로 예측된다. 
질비아 브리첸 독일 막스플랑크전파천문연구소 연구원 등 국제 공동연구팀은 미국 초장기기선전파간섭계(VLBA)로 2011년부터 2023년까지 은하핵 'Mrk 501'을 관측한 데이터 83세트를 분석한 결과를 국제학술지 '영국왕립천문학회 월간보고'에 지난달 27일(현지시간 모바일야마토 ) 발표했다.
초대질량 블랙홀은 태양 질량의 수백만~수백억 배에 달하는 거대 블랙홀로 대부분의 은하 중심에 하나씩 자리 잡고 있다. 두 은하가 충돌해 합쳐질 때 각 은하 중심의 블랙홀도 서로 끌어당기며 점점 가까워지다 결국 하나로 합쳐진다. 
블랙홀 충돌로 중력파가 발생한다는 사실은 이미 입증됐지만 규모가 훨씬 큰 초대질 황금성슬롯 량 블랙홀 쌍이 합쳐지는 순간의 중력파는 아직 직접 검출된 적이 없다. 합쳐지기 직전의 쌍 초대질량 블랙홀을 포착한 사례도 없다.
연구팀이 주목한 천체는 지구에서 약 5억 광년 떨어진 'Mrk 501'이라는 블레이자다. 블레이자는 거대한 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이면서 강력한 에너지를 제트(물질 분출의 흐름) 형태로 지구 쪽으로 뿜어내는 체리마스터모바일 은하핵으로 제트가 지구 방향을 향하고 있어 유독 밝게 관측된다.
Mrk 501은 블랙홀 가까이에서 관측되는 제트 방향과 수천 광년 떨어진 곳에서 관측되는 제트 방향이 크게 어긋나 있다는 점 때문에 중심부에 두 블랙홀이 있을 것이라는 의심을 받는 천체다.
연구팀은 23년치 전파 관측 데이터를 분석했다. 처음에는 특별한 움 골드몽사이트 직임을 찾지 못했다. 더 높은 주파수로 블랙홀에 더 가까운 영역을 살펴보자 기존 제트와 전혀 다른 방향에서 두 번째 신호가 잡혔다. 연구팀은 두 번째 신호가 두 번째 블랙홀에서 나오는 제트라는 결론을 내렸다.
두 제트의 밝기는 약 121일 주기로 함께 변했다. 연구팀은 두 블랙홀이 서로를 121일 주기로 공전하기 때문에 밝기가 함께 변하는 게임몰릴게임 것이라고 해석했다. 각 블랙홀의 질량은 태양의 최대 10억 배에 달하는 것으로 추정됐다. 충돌이 가깝다면 향후 10년 안에 공전 주기가 점점 짧아지는 것을 관측으로 직접 확인할 수 있을 것으로 기대된다. 
두 블랙홀이 충돌하면 시공간을 뒤흔드는 거대한 중력파가 발생할 것으로 예측된다. 중력파는 빠르게 회전하며 규칙적인 전파 신호를 내보내는 별인 '펄사' 수십 개를 동시에 관측해 신호의 미세한 변화를 측정하는 방식으로 감지를 시도해볼 수 있다. 충돌 전 두 블랙홀이 공전하면서 내보내는 중력파도 이미 시작됐을 가능성도 있다.
신중하게 접근하는 전문가들도 있다. 졸탄 하이만 미국 컬럼비아대 연구원은 "매우 복잡한 관측이라 아직은 후보 단계로 봐야한다"고 말했다. 다니엘 도라지오 우주망원경과학연구소 연구원은 "합쳐지기 직전의 쌍 블랙홀을 발견했다면 우리가 운이 매우 좋거나 이런 시스템이 예상보다 훨씬 많다는 뜻"이라며 "그렇다면 왜 지금껏 더 많은 증거가 발견되지 않았는지 설명이 필요하다"고 밝혔다.
<참고>
doi.org/10.1093/mnras/stag291
[임정우 기자 jjwl@donga.com]