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예외적으로 두 개의 은하가 충돌해 하나의 거대 은하가 되는 경우에만 일시적으로 두 개의 거대 블랙홀이 한 은하 안에 공존할 수 있다.
일시적이라고 표현한 이유는 결국 강력한 중력을 지닌 두 블랙홀이 서로를 잡아당겨 하나로 합쳐지기 때문이다. 다만 이 과정은 천문학적인 기준으로 매우 짧은 시간에 일어나기 때문에 실제로 관측하기는 어려웠다.
캘리포니아 공대의 산드라 오닐이 이끄는 연구팀은 블레이저 PKS 2131-021를 관측하던 중 특이한 사실을 발견했다. 블레이저 (blazer)는 우주에서 가장 밝은 천체인 퀘이사 가운데서도 특히 더 밝은 천체로 그 정체는 초거대 질량 블랙홀이 뿜어내는 제트(jet)로 생각된다.
초거대 블랙홀이 너무 많은 물질을 중력으로 끌어들인 다음 결국 다 흡수하지 못하고 방출하는데, 엄청난 에너지 때문에 입자들을 빛에 가까운 속도로 뿜어내는 것이 바로 블랙홀의 제트다. 참고로 PKS 2131-021는 지구에서 90억 광년 떨어진 장소에서 빛의 속도의 99.98%로 입자를 뿜어내고 있다.
연구팀이 발견한 특이한 사실은 PKS 2131-021 밝기가 주기적으로 변한다는 것이다. 이것이 놀라운 이유는 블레이저의 정체가 태양 질량의 수억 배에 달하는 초거대 블랙홀이기 때문이다. 이렇게 거대한 블랙홀을 주기적으로 흔들 수 있는 천체는 다른 초거대 질량 블랙홀뿐이다.
연구팀은 지구와 우주에 있는 5개의 망원경에서 수집된 45년간의 천체 관측 데이터를 분석해 PKS 2131-021의 밝기 변화가 2년 간격으로 일어난다는 사실을 확인했다. 그리고 역으로 이를 이용해 지구에서 직접 관측하기 어려운 동반 블랙홀의 질량, 공전궤도를 추정했다.
그 결과 PKS 2131-021 블랙홀 쌍성계는 지구 – 태양 거리의 2000배 정도, 태양 – 명왕성 거리의 50배 정도 떨어진 거리에서 서로를 공전하는 것으로 추정된다. 꽤 먼 거리처럼 보이지만, 태양 질량의 수억 배에 달하는 두 블랙홀 사이의 거리치고는 너무 가까운 거리다. 연구팀은 PKS 2131-021가 앞으로 1만 년 이내로 합체될 것으로 예상했다.
인간의 기준으로는 먼 미래지만, 우주의 나이와 비슷한 대형 은하의 나이를 생각하면 대단히 짧은 시간이다.
아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 이렇게 거대한 천체가 하나로 합체되는 과정에서 강력한 중력파가 발생해 우주 전체로 퍼진다.
하지만 PKS 2131-021는 오히려 너무 크기 때문에 기존의 관측 장비로는 정확한 측정이 어려운 경우다. 연구팀은 차세대 관측 장비를 이용해 초거대 블랙홀 쌍성계의 상세한 모습을 관측할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com
