숨어있는 블랙홀을 찾기. 어떻게 가능할까?

블랙홀은 무엇이든지 흡수하는 괴물 같은 천체다. 하지만 아무것도 탈출할 수 없다면 이를 관측하는 일은 매우 어렵다. 블랙홀의 존재가 이론적으로 예측되었음에도 한동안 그 존재가 의문시되었던 이유다. 하지만 이제 과학자들은 수많은 블랙홀의 존재를 직접 관측하고 그 안에 숨겨진 비밀을 탐구하고 있다.

그것이 가능한 이유는 블랙홀 자체는 빛을 내지 않지만, 블랙홀에 흡수되는 물질과 제트(jet)의 형태로 방출되는 물질이 막대한 에너지를 내놓기 때문이다. 특히 은하 중심에는 태양 질량의 수백만 배에 달하는 거대 질량 블랙홀(supermassive black hole)이 존재해 많은 연구가 이뤄지고 있다.

하지만 블랙홀에는 거대 질량 블랙홀만 있는 것은 아니다. 블랙홀을 크게 두 가지 형태로 분류하면 은하 중심에 존재하는 거대 질량 블랙홀과 별과 비슷한 질량을 지닌 항성 질량 블랙홀로 나눌 수 있다. 항성 질량 블랙홀은 거대한 질량을 가진 별이 초신성 폭발을 일으키면서 중심부에 있는 물질이 뭉쳐 생성된다고 보고 있다. 별이 최후를 맞이할 때 남은 질량이 많으면 블랙홀이 되고 그보다 작은 경우 중성자별이 되는 것이다.

당연히 은하에 보통 하나뿐인 거대 질량 블랙홀보다 항성 질량 블랙홀이 훨씬 흔할 것이다. 하지만 항성 질량 블랙홀의 경우 동반성에서 흡수하는 물질이 없다면 사실상 알아낼 방법이 없다. 글자 그대로 검은 구멍으로 아무것도 빠져나오지 못하기 때문이다.

그러나 예외적인 경우도 있다. 유럽 남방 천문대(ESO)의 거대 망원경 (VLT)에 설치된 MUSE 장치는 구상성단 NGC 3201에서 숨어 있는 블랙홀의 증거를 발견했다.

구상성단은 수천에서 수만 개의 별이 중력으로 느슨하게 묶인 집단으로 보통 나이가 많은 별들의 모임이다. 우리 은하에만 150개가 넘는 구상성단이 있다.

본래 천문학자들은 블랙홀을 찾기 위해서가 아니라 구상성단의 별을 연구하기 위해 관측을 진행했으나 별 하나가 매우 이상하게 움직이는 것이 관찰됐다. 태양 질량의 0.8배 정도 되는 별이 167일을 주기로 시속 수십만km라는 엄청난 속도로 움직이고 있었던 것이다. 하지만 아무리 관측해도 이 별의 동반성은 관측되지 않았다.

이 현상을 설명할 수 있는 유일한 방법은 관측이 안 될 정도로 어둡지만 태양 질량의 4배 정도 되는 천체가 중력을 행사하고 있다고 가정하는 것이다. 그리고 이 정도 질량을 지닌 천체인데도 아무것도 방출하지 않는다면 물질을 흡수하지 않는 블랙홀일 가능성이 가장 크다.

이런 블랙홀은 주변을 지나는 빛을 흡수하거나 굴절시키긴 하지만 방출하는 에너지가 사실상 없기 때문에 아무리 성능 좋은 망원경으로도 관측이 어렵다. 그래도 중력은 말없이 그 존재를 증명한다.

천문학자들은 숨어 있는 블랙홀의 숫자와 질량에 대해서 많은 궁금증을 가지고 있으나 사실 이렇게 우연한 기회가 아니면 관측이 쉽지 않다. 하지만 아직 모르는 것이 많기에 더 호기심을 불러일으키는 존재라고 할 수 있다. 앞으로도 블랙홀의 숨은 비밀을 찾기 위한 연구가 계속 진행될 것이다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com