빅뱅이 일어나고 15억 년이 지난 초기 우주에서 이론적으로 예측된 한계보다 물질을 40배 빨리 ‘먹어 치우는’ 초대질량(supermassive) 블랙홀이 사상 처음으로 발견됐다. 초기 우주에서 거대한 블랙홀이 빠르게 성장한 이유를 설명하는 실마리가 될 것으로 기대된다.

서혜원 제미니천문대 연구원이 이끈 국제공동연구팀은 제임스웹 우주망원경(JWST)을 활용해 기존 이론에서 예측했던 한계보다 훨씬 빠르게 주변 물질을 흡수하는 초대질량 블랙홀 ‘LID-568’을 발견하고 연구 결과를 4일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다.

초대질량 블랙홀은 보통 은하 중심에 존재하는 거대한 블랙홀이다. 빅뱅 이후 초기 우주에서도 초대질량 블랙홀들이 관측됐지만 짧은 시간 안에 어떻게 빨리 커질 수 있었는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 과거 ‘찬드라 X선 우주망원경’을 통해 조사됐던 은하 샘플 중 X선을 강렬하게 방출하는 데이터를 발견했지만 정확한 위치를 파악하기 어려웠다. 연구팀은 JWST의 근적외선분광기(NIRSpec)의 ‘적분장 분광법’이라는 기능을 활용해 목표물인 블랙홀 LID-568과 주변의 강력한 가스 분출을 자세히 살폈다. 블랙홀은 주변 물질을 흡수하면서 동시에 가스 등으로 이뤄진 제트(jet)를 분출하기도 한다.

블랙홀 LID-568 주변의 가스 분출 속도와 크기를 분석한 결과 블랙홀의 질량 증가가 기존에 이론적으로 예측됐던 한계보다 더욱 빠른 시간 안에 일어났다는 사실이 확인됐다. 블랙홀 LID-568은 블랙홀이 물질을 흡수할 수 있는 이론적 최대 속도인 ‘에딩턴 한계(Eddington limit)’의 40배에 달하는 속도로 물질을 흡수했다. 에딩턴 한계는 블랙홀이 달성할 수 있는 최대 광도, 물질 흡수 속도 등을 설명하는 이론이다.

지구에서 관측된 블랙홀 LID-568은 초기 우주인 빅뱅 이후 15억 년 뒤의 모습이다. 연구팀은 “블랙홀이 ‘잔치’를 벌이고 있다”고 묘사하며 “이번 블랙홀 발견으로 우리가 초기 우주에서 매우 무거운 블랙홀을 볼 수 있는 이유를 설명할 방법 중 하나를 찾을 수 있을 것”이라고 설명했다.

현재 블랙홀 이론에 따르면 별이나 가스 구름의 붕괴로 생긴 작은 블랙홀 ‘씨앗’이 초대질량 블랙홀로 커질 것으로 예측하고 있지만 관측으로는 확인된 바 없다. 서 연구원은 “블랙홀 씨앗이 가볍든 무겁든 한 번의 ‘식사’ 동안 질량 증가가 예상했던 것보다 훨씬 많이 일어날 수 있다는 것을 시사한다”고 밝혔다. 연구팀은 블랙홀 LID-568의 작동 메커니즘을 더 자세히 파악하기 위해 JWST와 후속 관측을 계획 중이다.

이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com

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