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아인슈타인 고리에 숨겨진 중력 거성의 질량은 태양 질량의 360억 배

우주에서 가장 무거운 블랙홀을 발견
아인슈타인 고리에 숨겨진 중력 거성의 질량은 태양 질량의 360억 배

천문학자들이 지금까지 우주에서 가장 무거운 블랙홀을 발견했다. 약 360억 태양 질량으로, 이는 초거대 블랙홀의 이론적 상한선에 가깝다. 이 중력 거성은 지구에서 약 50억 광년 떨어진 "우주의 말굽" 은하에 있다. 중력 렌즈 효과로 거의 완벽한 아인슈타인 고리가 형성되어 천문학자들이 중심 블랙홀의 위치를 파악하고 측정할 수 있게 되었다. 

▲ 이 희귀한 아인슈타인 고리의 중심에는 매우 거대한 은하 LRG 3-757이 있다. 천문학자들은 이 은하의 중심에서 지금까지 발견된 것 중 가장 거대한 블랙홀을 발견했다. © NASA/ESA

초거대 블랙홀은 우주의 숨겨진 거성이다. 은하의 중심에 위치하며 중력을 통해 은하의 진화와 행동을 형성한다. 하지만 이러한 거대 블랙홀들 사이에도 차이점이 있다. 예를 들어, 우리 은하의 중심 블랙홀인 궁수자리 A*는 약 400만 태양 질량으로 매우 작다. 이와 대조적으로, 같은 종류의 은하 중 가장 큰 것으로 알려진 것은 태양 질량의 330억 배에 달한다.

"우주의 말발굽"에서의 우연한 발견

천문학자들은 중력 거대 은하 중 새로운 기록 보유자를 우연히 발견했다. 포츠머스 대학교의 카를로스 멜로-카르네이로가 이끄는 연구팀은 약 50억 광년 떨어진 은하 LRG 3-757에 숨겨진 암흑 물질을 탐사하고자 했다. 이 은하는 우리 은하보다 100배나 더 무겁고 중력 렌즈 역할을 한다. 중력 렌즈는 배경 빛을 거의 닫힌 아인슈타인 고리로 왜곡하는데, 이로 인해 "우주의 말발굽"이라는 별명이 붙었다.

이 연구를 위해 천문학자들은 허블 우주 망원경과 칠레에 있는 유럽 남방 천문대(ESO)의 초대형 망원경(VLT)에 장착된 MUSE 관측기를 사용하여 이 우주의 말발굽을 관측했다. 목표는 별의 운동과 빛 왜곡의 강도를 바탕으로 은하의 질량과 질량 분포를 결정하는 것이었다.

기록적인 질량을 가진 숨겨진 거성

천문학자들은 예상치 못한 성과를 거두었다. 최초로 말굽 은하의 중심 블랙홀을 발견하고 그 질량을 측정할 수 있었던 것이다. 그 질량은 엄청났다. 천문학자들의 계산에 따르면 LRG 3-757의 블랙홀은 태양 질량의 약 360억 배에 달하는 질량을 가지고 있다. 따라서 우리 은하의 궁수자리 A* 질량의 약 1만 배에 달한다.

우주 말굽 은하 중심에 있는 블랙홀은 새로운 기록을 세웠다. 이는 우주에서 이러한 천체들의 이론적 질량 상한에 근접한 것이다. 멜로의 동료 토마스 콜렛은 "이제 발견된 블랙홀은 지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 무거운 블랙홀 중 하나이며, 아마도 가장 무거운 블랙홀일 것이다."라고 말했다.

▲ 중력렌즈 은하 LRG 3-757에 의한 빛의 왜곡과 주변 별들의 움직임을 측정하여 천문학자들은 중심 블랙홀의 질량을 측정할 수 있었다. © NASA/ESA; Tian Li/ University of Portsmouth

블랙홀이 은하의 질량과 같을까?

이 거대 은하의 모은하인 우주 말발굽 은하가 동종 은하 중 가장 큰 은하 중 하나라는 점은 적절하다. 콜렛은 "두 은하의 크기는 밀접한 관련이 있다고 생각한다"며 "은하가 성장하면 중심 블랙홀에 더 많은 물질을 공급하기 때문이다"고 설명했다. 이 "양분"은 블랙홀이 더 빨리 성장할 수 있도록 한다. 반대로, 성장하면서 활발하게 물질을 집어삼키는 블랙홀에서 나오는 물질은 주변에서 별 형성을 촉진한다.

천문학자들은 우주 말발굽 은하의 중심 블랙홀이 이 거대 은하에도 너무 거대하다고 설명했다. 그 이유 중 하나는 LRG 3-757의 역사에서 찾을 수 있다. 이 거대한 별들의 성단은 여러 개의 이전 은하가 합병하여 형성되었다. 중심 블랙홀 또한 그 과정에서 합병되었을 가능성이 있다.

▲ F475W 필터의 Cosmic Horseshoe에 적합하다. 왼쪽에서 오른쪽으로, 패널은 렌즈 감산 이미지, 최고 우도 EPL 모델, 그리고 재구성된 광원 s2를 표시한다. (출처:Unveiling a 36 billion solar mass black hole at the centre of the Cosmic Horseshoe gravitational lens / Published: 07 August 2025 / Monthly Notices of the Royal Astronomocal Society)

콜렛은 "이 합병으로 우리가 지금 발견한 초거대 블랙홀이 형성되었다"라고 말한다. "따라서 우리는 은하와 블랙홀 진화의 마지막 단계를 목격하고 있는 것이다." 그러나 천문학자들은 자신들이 발견한 기록 보유 블랙홀이 고립된 사례가 아닐 것이라고 추측한다. 우주에는 훨씬 더 거대한 거대 블랙홀이 존재할 수도 있다.

참고:
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2025; doi: 10.1093/mnras/staf1036

출처: Royal Astronomical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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