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2천만 개의 태양질량을 지닌 거인은 아마도 은하 병합 중에 근처 은하에서 방출

별꼬리를 가진 성난 블랙홀
초거대질량 블랙홀이 초음속으로 은하계 밖으로 튀어나왔다.

속도를 내는 거인:
천문학자들은 초음속으로 우주를 돌진하고 있는 거대한 블랙홀을 발견했다. 2천만 개의 태양질량을 지닌 거인은 아마도 은하 병합 중에 근처 은하에서 방출됐다. 이렇게 분출된 블랙홀을 천문학자들이 직접 관측하고 감지한 것은 이번이 처음이다. 

▲ 거대한 블랙홀이 우주에서 초음속으로 이동하면서 가스와 별의 흔적을 따라 은하에서 분출되었다(그림). © NASA/ESA, Leah Hustak(STScI)

은하가 충돌하면 중앙 블랙홀이 일반적으로 합쳐진다. 그러나 무언가 잘못되는 경우가 있다. 엄청난 난기류와 중력파가 방출되어 두 개의 초대형 블랙홀 중 하나가 궤도에서 벗어나 은하계 밖으로 튀어나온다. 천문학자들은 이미 은하계에 옆으로 놓여 있는 거대한 블랙홀의 형태로 이것의 첫 징후를 발견했다.

우연히 발견

예일 대학교의 Pieter van Dokkum이 이끄는 천문학자들은 이제 훨씬 더 극단적인 경우를 발견했다. 은하계에서 완전히 방출된 거대한 블랙홀이다. 이것은 분출된 자이언트가 오래된 고향 은하까지 뻗어 있는 가스와 별의 긴 흔적을 따라갔기 때문에 분명했다. van Dokkum은 "우리가 우연히 발견한 것은 순전히 우연의 일치였다"고 보고했다.

천문학자들은 실제로 허블 우주 망원경의 이미지에서 근처의 왜소은하 RCP28에서 구상 성단을 찾았다. "내가 허블 이미지 중 하나를 보고 있을 때 작고 밝은 줄무늬를 발견했다. 그것은 우리가 이전에 알고 있던 어떤 것과도 다르게 생겼다"고 van Dokkum이 말했다. 그것은 약 20만 광년 길이의 젊은 별과 가스로 구성돼 있으며 약 76억 광년 떨어진 은하에서 나오는 것으로 나타났다.

▲ 이 허블 우주 망원경 이미지는 별들의 밝은 흔적을 보여준다. © NASA/ESA, Pieter van Dokkum(예일), Joseph DePasquale(STScI)

긴 꼬리를 가진 빛의 광점

하지만 무엇이 이 별 꼬리를 일으켰을까? 천문학자들은 "이전에 천문학적 이미지나 문헌에서 그런 현상을 본 적이 없었기 때문에 우리는 Keck 천문대에서 관찰 시간을 등록하기로 결정했다"고 천문학자들은 보고했다. 분광계와 Keck 망원경의 고해상도 Echelle 분광기 덕분에 그들은 불가사의한 별들의 띠에 대해 더 자세히 알아볼 수 있었다.

분석 결과 별의 꼬리 끝에 있는 밝고 이온화된 산소 지점이 초당 1천 마일(시속 약 35만 마일에 해당)의 속도로 은하계에서 멀어지고 있음이 밝혀졌다. 초음속으로 우주를 달리는 끝 뒤에는 처음에는 아주 어린 별들이 있고 그 다음에는 다소 나이가 많은 별들이 있다.

방출된 중력 거인

천문학자들에 따르면 이 별 꼬리의 밝은 끝부분에는 약 2천만 태양질량의 거대한 블랙홀이 숨겨져 있다. 이것은 약 3900만 년 전에 꼬리 끝 은하계에서 분출되었을 것이다. Van Dokkum과 그의 동료들은 이것이 이중 합병의 결과로 발생했다고 의심한다. 첫 번째는 약 5천만 년 전에 두 개의 중앙 블랙홀이 단단하게 궤도를 도는 쌍을 형성하는 것으로 보았다.

그런 다음 또 다른 은하 충돌이 발생하여 세 번째 거대한 블랙홀이 추가되었다. 오래된 격언에 따르면 "셋은 하나가 너무 많다"는 중력 난기류가 발생하여 세 개의 블랙홀 중 하나가 은하계 밖으로 튀어나왔다. 그것의 중력은 많은 양의 가스를 우주로 날려보냈다 "그 뒤에 우리는 천천히 냉각되고 별이 형성되는 가스의 여파를 본다"고 van Dokkum은 설명했다.

이전에 관찰된 적이 없음

천문학자는 "우주의 다른 어느 곳에서도 비교할 수 있는 것이 없었다"며 "50년 동안 초거대질량 블랙홀이 때때로 은하계에서 분출될 수 있다고 예측되었다. 하지만 이제서야 이에 대한 최초의 직접적인 증거를 발견할 수 있었다”고 말했다. 그러나 천문학자들은 아직 별의 꼬리 끝에 있는 블랙홀을 직접적으로 감지하지 못했다.

▲ 관찰된 주요 기능에 대한 설명으로 런어웨이 SMBH 시나리오의 개략도. 패널 1–5는 "고전적인" 새총 시나리오를 보여준다. (출처: 관련논문 A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake / Astrophysical Journal Letters)

별 꼬리 끝에 있는 밝은 점은 블랙홀 자체의 활동에서 비롯된 것일 수 있다. 또는 블랙홀과 충돌하고 가열되는 일종의 충격을 받은 은하계 가스의 선수파(뱃머리에 부딪치는 파도)다.

다른 블랙홀은 어떻게 되었을까?

연구팀은 다른 파장에서 더 높은 해상도로 더 많은 관찰이 더 명확하게 제공되기를 바라고 있다. 천문학자들은 "X선 이미지는 충격을 받은 선수파의 물리학을 명확히 하거나 초대질량 블랙홀의 강착원반을 보여줄 수도 있다"고 말했다. James Webb 망원경과 UV 범위에서 찍은 이미지도 더 많은 정보를 제공할 수 있다.

또한 추가 관측을 통해 남은 2개의 블랙홀이 은하계에 남아 있는지, 아니면 함께 분출되었는지도 규명할 수 있었다. 은하의 반대편에는 성질이 아직 불분명한 더 희미하고 훨씬 더 짧은 "꼬리"가 있기 때문이다. 이론적으로 남은 한 쌍의 구멍도 반동에 의해 은하계 밖으로 튀어나왔을 것이라고 생각할 수 있다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2023; doi: 10.3847/2041-8213/acba86)
출처: Space Telescope Science Institute, W. M. Keck Observatory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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