참세상

이 하늘 조사 이미지에서 파란 점 대부분은 강한 X선을 방출하는 강착 중인 초거대질량 블랙홀이다. 출처: 팬 조우(Fan Zou, 펜실베이니아 주립대) 및 XMM-SERVS 협력 연구팀

블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없는 놀라운 천체이다. 그중에서도 가장 거대한 블랙홀은 ‘초거대질량(supermassive)’ 블랙홀로 불리며, 질량이 태양의 수백만 배에서 수십억 배에 이른다.

이 거대한 블랙홀들은 보통 은하의 중심에 자리 잡고 있다. 우리 은하인 은하수 역시 중심부에 초거대질량 블랙홀을 품고 있다.

그렇다면 초거대질량 블랙홀은 어떻게 그렇게 거대한 존재가 되었을까? 이 질문에 답하기 위해, 천체물리학자로 구성된 연구팀은 우주의 138억 년 역사를 거슬러 올라가며 초거대질량 블랙홀이 초기 우주에서부터 현재까지 어떻게 성장해 왔는지를 추적했다.

연구팀은 지난 120억 년 동안 초거대질량 블랙홀이 성장한 역사를 포괄적으로 모델링했다.

초거대질량 블랙홀은 어떻게 성장하는가?

초거대질량 블랙홀은 주로 두 가지 방식으로 성장한다. 하나는 블랙홀이 자신의 모은 은하에서 가스를 빨아들이는 과정인 강착(accretion)을 통해서이고, 다른 하나는 두 은하가 충돌할 때 블랙홀끼리 병합되면서이다.

초거대질량 블랙홀이 가스를 삼키면, 거의 항상 강력한 X선을 방출한다. X선은 고에너지 광선으로, 맨눈으로는 볼 수 없다. 치과에서 치아 검진을 할 때 사용하는 X선과 같은 원리지만, 천문학에서 관측하는 X선은 의료용 X선보다 에너지가 낮은 경우가 많다.

그렇다면 블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는데, X선이 어떻게 관측될 수 있을까? 엄밀히 말하면, 이 빛은 블랙홀 내부에서 나오는 것이 아니라, 블랙홀 바로 바깥쪽의 가스에서 방출된다. 블랙홀 방향으로 빨려 들어가는 가스는 뜨겁게 달아오르며 빛을 내는데, 그 과정에서 X선이 생성된다. 블랙홀이 더 많은 가스를 흡수할수록 더 강한 X선을 방출한다.

천문학자들은 20년 넘게 축적된 데이터를 활용해 이러한 X선을 관측하고 있다. 우주에서 발사된 가장 강력한 X선 관측 장비인 찬드라(Chandra), XMM-뉴턴(XMM-Newton), eROSITA의 데이터를 통해, 연구자들은 가스를 흡수하는 초거대질량 블랙홀을 대규모로 포착할 수 있다.

이 데이터를 분석하면, 블랙홀이 가스를 삼키면서 얼마나 빠르게 성장하는지를 추정할 수 있다. 평균적으로 초거대질량 블랙홀은 매년 태양과 맞먹는 질량의 가스를 흡수할 수 있으며, 정확한 속도는 다양한 요인에 따라 달라진다.

예를 들어, 연구 결과에 따르면 블랙홀의 성장 속도는 수백만 년에 걸친 평균 값으로 볼 때, 블랙홀이 속한 은하 내 모든 별들의 총 질량과 밀접하게 연결되어 있다.

초거대질량 블랙홀은 얼마나 자주 병합하는가?

초거대질량 블랙홀은 가스를 빨아들이는 것뿐만 아니라, 서로 병합하면서도 성장할 수 있다. 은하가 충돌할 때 두 블랙홀이 하나로 합쳐지며 더 거대한 블랙홀이 형성된다.

초거대질량 블랙홀의 병합이 얼마나 자주 일어나는지는 초컴퓨터를 활용한 우주론적 시뮬레이션을 통해 예측할 수 있다. 이러한 시뮬레이션은 우주가 시간이 흐르면서 어떻게 성장하고 진화하는지를 모델링하는 것을 목표로 한다. 공간을 가로질러 움직이는 수많은 은하는 마치 벽돌처럼 쌓이며 우주를 형성해 나간다.

강착 중인 초거대질량 블랙홀을 묘사한 일러스트. 중앙의 블랙홀은 검게 보이며, 주변을 둘러싼 가스는 뜨겁게 달아올라 빛을 방출한다. 출처: 나크스 트레넬(Nahks Tr'Ehnl, 펜실베이니아 주립대)

시뮬레이션 결과에 따르면, 은하와 그 중심에 있는 초거대질량 블랙홀은 우주의 역사 전반에 걸쳐 여러 차례 병합을 겪어 왔다.

연구팀은 블랙홀의 성장 방식인 가스 섭취와 병합을 X선 관측 데이터와 초컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 추적했다. 그리고 이를 결합하여 지난 수십억 년 동안 우주 전반에서 블랙홀이 성장해 온 역사를 구축했다.

이 연구 결과, 초거대질량 블랙홀은 수십억 년 전, 우주가 더 젊었을 때 훨씬 빠른 속도로 성장했다는 사실이 밝혀졌다.

초기 우주에는 블랙홀이 삼킬 수 있는 가스가 훨씬 풍부했고, 새로운 초거대질량 블랙홀도 계속해서 형성되었다. 하지만 시간이 흐르면서 가스가 점차 고갈되었고, 이에 따라 블랙홀의 성장 속도도 둔화되었다. 약 80억 년 전부터 초거대질량 블랙홀의 개수는 안정화되었고, 그 이후로 크게 증가하지 않았다.

두 개의 초거대질량 블랙홀이 병합하는 과정을 묘사한 일러스트. 출처: 스콧 노블(Scott Noble, NASA GSFC)

블랙홀이 강착을 통해 성장할 수 있을 만큼의 가스를 확보하지 못하면, 병합이 유일한 성장 경로가 된다. 하지만 연구팀이 구축한 성장 역사에서는 블랙홀 병합이 그리 빈번하게 발생하지 않는 것으로 나타났다. 가장 거대한 블랙홀조차도 병합을 통해 질량을 증가시키는 속도는 태양 질량 정도를 수십 년에 한 번 수준으로 유지했다.