쉐즈모(薛止墨)
【정견뉴스】
조석 파괴 사건의 상상도, 블랙홀이 인근 항성을 삼키고 있는 모습을 보여준다. (NASA)
별이 반짝이는 은하들이 우주라는 바다의 밝은 함대라면, 그 중심에 자리 잡은 초대질량 블랙홀은 함대를 든든하게 잡아주는 어두운 거대한 닻과 같다. 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 이 암흑의 거대 괴수들은 대개 거대 은하의 중심부에 안착해 강력한 중력으로 주변 환경을 끌어당기고 형성한다. 하지만 이 블랙홀들 중 하나가 어찌 된 영문인지 닻을 끊고 표류하게 된다면 어떤 일이 벌어질까?
오랫동안 천문학자들은 이 질문에 답하기 어려웠다. 이러한 방랑 블랙홀(Wandering Black Holes, 유랑 블랙홀)들은 은하 외곽에 잠복한 채 거의 텅 빈 심우주를 조용히 이동할 때 어떠한 빛도 내뿜지 않고 그 어떤 단서도 드러내지 않기 때문이다. 단, 마침 식탐이 동해 지나가던 별을 간식으로 통째로 삼킬 때만 제외하고 말이다.
오늘날 《천체물리학 저널 레터스》(The Astrophysical Journal Letters)에 발표된 새로운 연구는 성간 공간을 표류하는 이 침묵의 슈퍼 살인마를 찾아냈다. 연구팀은 죽어가는 별의 초고휘도 폭발을 통해 지금까지 가장 명확한 ‘은하 중심에서 멀어진 초대질량 블랙홀’의 사례를 포착해냈다.
은하 중심에서 3만 광년 떨어진 ‘우주 참사’
항성이 블랙홀에 너무 가까이 다가가면, 블랙홀의 강력한 조석력이 항성을 잡아당기고 찢어 삼키게 되는데 이 현상을 조석 파괴 사건(Tidal Disruption Event, TDE)이라고 부른다.
2025년 11월, 연구팀은 극히 드문 TDE 폭발(TDE 2025abcr)을 실시간으로 관측했다. 이번 폭발은 일시적으로 100억 개의 태양에 맞먹는 눈부신 빛을 발산했으며, 자외선 영역에서 수개월 동안 모(母)은하를 압도했다. 폭발이 일어난 장소는 고래자리 방향, 지구에서 약 7억 5000만 광년 떨어진 대형 은하의 가장자리였다. 분석 결과 이 거대한 변화를 유발한 블랙홀의 질량은 태양의 약 100만 배에 달하는 것으로 나타났다.
이 연구의 제1저자인 메릴랜드대학교 및 NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의 천체물리학자 로버트 스타인(Robert Stein)은 이렇게 말했다. “만약 여러분이 그늘진 하늘 구역만 본다면 그곳에 초대질량 블랙홀이 숨어 있을 거라고는 상상조차 못 할 것입니다. 바로 그 블랙홀이 방금 별을 잡아먹었기 때문에 우리가 비로소 그 위치를 특정할 수 있었습니다.”
이번 발견이 은하 중심을 벗어난 블랙홀 TDE의 최초 발견은 아니다. 2024년에도 이미 어떤 은하 중심에서 약 2,600광년 떨어진 유사한 사건이 발견된 바 있다. 그러나 이번에 발견된 TDE 2025abcr은 모은하(WISEA J014656.04-152214.7) 중심에서 무려 3만 광년 이상 떨어져 있다! 이로 인해 이 블랙홀은 현재 천문학계가 목격한 모은하 중심에서 가장 멀리 벗어나 있으며, 가장 확실한 증거를 갖춘 초대질량 유목형 블랙홀이 되었다.
(참고: 2023년에도 또 다른 연구팀이 뒤쪽에 20만 광년에 달하는 기나긴 별의 궤적을 끌고 다니는 의문의 초대질량 유목형 블랙홀을 발견한 바 있으나, 이 천체는 TDE와 같은 광학적 폭발이란 확실한 증거가 부족해 특수한 은하 구조일 가능성도 배제할 수 없다.)
전천 탐사 망원경과 AI 기술 동원, 시간과의 싸움인 관측 작전
광활한 우주에서 이 반짝이는 찰나를 포착할 수 있었던 것은 첨단 탐사 기술과 머신러닝 덕분에 가능했다. 스타인과 동료들은 처음에 캘리포니아 팔로마 천문대의 츠비키 순간 현상 시설(ZTF) 데이터에서 이 이상 신호를 주목했다.
ZTF 탐사 계획은 밤하늘을 끊임없이 스캔하며 매일 밤 최대 50만 건에 달하는 두드러진 천체 섬광을 감지해 낸다. 방대한 데이터 속에서 귀중한 TDE 폭발을 걸러내려면 특별히 훈련된 인공지능(AI) 모델에 의존해야 한다. AI가 이 후보 천체를 마킹했을 때, 비록 위치가 은하 외곽 멀리 떨어져 있었음에도 스펙트럼 특성은 ‘조금의 의심도 없는’ 상태였다.
칠레의 남방천체물리학연구(SOAR) 망원경, 그리고 미국 항공우주국(NASA)의 닐 게렐스 스위프트 천문대(Neil Gehrels Swift Observatory) 등 다른 시설들을 동원한 후속 관측은 이 발견을 성공적으로 확정지었다. 시기 또한 절묘했다. 최초 감지 후 스타인 연구팀에게는 이 빠르게 어두워지는 TDE를 정밀하게 연구할 수 있는 단 몇 달의 시간만이 주어졌고, 이후 해당 천구 구역은 태양 뒤편으로 넘어가 더 이상 관측할 수 없게 되기 때문이었다.
이번 연구에 참여하지는 않았으나 2023년에 그 의문의 유목형 블랙홀을 추적했던 예일대학교 천체물리학자 피터 반 도쿰(Pieter van Dokkum)은 이렇게 찬사를 보냈다. “이러한 장기 연구는 기회가 단 한 번뿐이기 때문에 엄청나게 어렵습니다. 하지만 이 연구진은 대단히 공을 들여 사건이 사라지기 전에 가장 풍부한 핵심 정보를 건져 올렸습니다.”
그는 자연스러운 다음 단계는 “단순히 하나가 아니라 일군의 이런 천체들을 찾아내는 것인데, 그래야만 비로소 통계적 연구를 수행할 수 있기 때문”이라고 덧붙였다.
어두운 거대 괴수는 왜 ‘가출’을 했을까?
천문학자들이 가장 궁금해하는 핵심 질문은 바로 이것이다. 본래 은하 중심을 지켰어야 할 이 거대 괴물들이 도대체 어쩌다 은하 중심에서 3만 광년이나 떨어진 우주 오지까지 흘러들어와 유랑하게 된 것일까?
이론 물리학자들은 두 가지 주요 메커니즘을 제시했다.
① 왜소은하 병합(Minor Galaxy Merger):
더 작은 왜소은하가 거대 은하로 떨어져 들어올 때 왜소은하의 외곽 별들은 벗겨져 나가고, 그 원래 중심에 있던 블랙홀은 쓸쓸히 대형 은하의 외곽 지대를 배회하게 된다. 아직 새로운 집에 가라앉아 중심에 안착할 충분한 시간을 갖지 못한 것이다.
② 삼체 중력 슬링샷(Three-body Gravitational Slingshot):
두 은하가 병합할 때 각자의 초대질량 블랙홀들은 쌍성계를 형성한다. 이때 제3의 은하가 합류해 들어오면 세 개의 블랙홀이 복잡한 중력 줄다리기(삼체 문제)에 빠져들게 되며, 이 중 질량이 가장 가벼운 블랙홀이 튕겨 나가 은하 외곽이나 심지어 성간 공간으로 맹렬하게 사출될 가능성이 매우 높다.
이는 스타인 연구팀이 새로 발견한 이 방랑자가 안쪽으로 침착하게 가라앉는 과정에 있거나, 혹은 은하 밖으로 영구히 내던져지는 도중에 있을 수 있음을 의미한다.
방랑 블랙홀의 우주 통계학을 열다
기나긴 우주 진화 역사 속에서 수많은 은화가 병합과 충돌을 겪어왔기에 이론적으로는 수많은 유목형 블랙홀이 우주 곳곳에 산재해 있어야 한다.
캘리포니아대학교 산타바바라 캠퍼스 카브리 이론물리학연구소(Kavli Institute for Theoretical Physics)의 투시프 이슬람(Tousif Islam)은 이렇게 지적했다. “이 블랙홀이 어디에서 왔는지 밝혀내는 것은 상당히 흥미로운 일입니다. 만약 10개, 20개의 이러한 사건을 지속해서 관측할 수 있다면 우주 방랑 블랙홀에 대한 통계적 이해를 구축할 수 있을 것입니다.”
성능이 더욱 강력하고 탐사 관측이 더욱 깊고 광범위한 베라 C. 루빈 관측소(Vera C. Rubin Observatory)와 같은 차세대 천문 관측 시설들이 가동됨에 따라, 천문학자들은 향후 몇 년 안에 수십 개에서 수백 개에 달하는 이러한 방랑 블랙홀들을 발견할 수 있을 것으로 예상한다. 어둠 속에 몸을 숨긴 이 우주 유목민들은 강한 빛이 폭발하는 순간을 통해 은하 진화와 충돌 교향곡의 신비로운 베일을 하나둘씩 벗겨내게 될 것이다.
(에포크타임스에서 전재)