미지의 중간 질량 블랙홀을 찾는 것은 초기 우주의 가장 큰 블랙홀의 “씨앗”을 천문학자들이 이해할 수 있도록 도와준다. 과학자들은 너무 작지도 크지도 않은 블랙홀들을 찾아내는 것에 있어 많은 연구를 해왔다. 이 새로운 연구는 나사의 Chandra X-ray 관측소와 다른 망원경들의 데이터를 이용한 두 개의 개별적인 연구로부터 나왔다.

태양 질량의 100배에서 수십만 배 사이의 질량을 갖는 블랙홀을 중간 질량 블랙홀(Intermediate mass black holes, IMBHs)이라고 칭한다. 최근 몇 년간, 여러 중간 질량 블랙홀(IMBHs)들의 가능성이 보고 되면서 천문학자들은 그들이 얼마나 흔하고, 그들의 특성이 최초의 초대질량 블랙홀(Supermassive black holes)의 형성에 대해 무엇을 알려주는지 찾아내기 위하여 노력 중이다. 한 연구팀은 Chandra COSMOS-Legacy survey라는 대규모 프로젝트를 이용하여 우리의 은하수의 1퍼센트도 안되는 질량의 별을 가지고 있는 왜소은하군을 연구하였다.

이 은하들의 특성은 NASA와 ESA 망원경의 데이터를 포함하여 다양한 파장의 COSMOS 장에서 이용할 수 있는 풍부한 데이터셋에 의해 가능하게 되었다. Chandra 데이터가 중요한 이유는 밝고, 점 같이 보이는 은하 중심 근처의 엑스레이 방출은 블랙홀 존재의 명백한 증거이기 때문이다. 이 엑스레이들은 블랙홀 근처의 강력한 중력과 자기력에 의해서 수백만도 까지 데워지는 열에 의해서 형성된다.

연구팀은 왜소은하군에서 생성 진행중인 40개의 중간 질량 블랙홀을 발견했다. 그 중 12개는 50억광년이상 지구로부터 떨어져있고, 그 중 최고는 109억광년이다. 또한, 이 블랙홀들의 질량은 태양의 100배에서 수십만배 정도 된다. 이 연구의 중점은 성장하고 있는 블랙홀을 갖고 있는 은하는 대부분 작은 은하단 보다는 큰 은하단에 속한다는 것이다. 

캠브리지에 있는 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터의 Igor Chilingarian에 의해 연구중인 두 번째 팀은 우리에게 더 가까운 은하들에서 존재 가능한 중간 질량 블랙홀들의 중요한 개별 샘플을 찾아냈다. 그들의 샘플은 가장 멀리 있는 중간 질량 블랙홀의 후보는 28억 광년 지구로부터 떨어져있고, 전체 후보의 90퍼센트는 13억 광년 이내에 있다. Sloan Digital Sky Survey (SDSS)의 데이터로, Chilingarian과 그의 연구진들은 성장 블랙홀의 광학적 신호와 함께 은하들을 발견하였고, 그들의 질량을 추산하였다. 그들은 태양 질량의 30만배 이하 정도 되는 블랙홀이 은하의 중심에 있는 305개의 은하를 선정하였다.

중간 질량 블랙홀들은 가장 큰 블랙홀들과 초대질량 블랙홀들이 빅뱅 이후에 어떻게 그렇게 빨리 형성될 수 있었는지 설명해줄 것이다. 중점은 초대질량 블랙홀은 태양 질량의 약 100배를 포함하고 있는 작은 블랙홀의 씨앗으로부터 시간이 지남에 따라 성장해왔다는 것이다.  이들 씨앗들 중 일부는 중간 질량 블랙홀들을 형성하기 위해 여러개가 합쳐지는 것이다. 다른 주장은 태양 질량의 수 십만 배 가량 되는 거대 가스 구름의 붕괴로부터 아주 빠르게 형성된다는 것이다. Mezcua와 그녀의 팀은 “직접적인 붕괴 주장”에 알맞은 증거들을 찾아내고 있으며, 해당 이론이 작은 은하 샘플들은 중간 질량 블랙홀을 상대적으로 덜 포함하다고 예측하기 때문이다.

Chilingarian팀은 다른 결론을 내놓았다. “우리는 우리가 발견한 질량 범위의 중간질량 블랙홀의 존재가 태양 질량의 100배 정도 되는 더 작은 블랙홀이 존재를 나타낸다고 주장하고 있다.” 라고 Chilingarian의 공동 저자인, 러시아 모스크바 주립대학의 Ivan Yu는 말한다.

또 다른 가능성은 두 가지 메커니즘이 실제로 발생한다는 것이다. 양 팀 모두 확실한 결론을 내리기 위해서는 미래 인공위성을 이용한 훨씬 큰 블랙홀의 데이터가 필요하다는 점에 동의한다. Mar Mezcua와 동료들에 의한 논문은 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 8월 출판본에 게재되었으며, 온라인에서 이용가능하다. Igor Chilingarian의 논문은 The Astrophysical Journal에 최근 통과하였고 온라인에서 이용가능하다.

스페이스타임즈 차인경 기자 chacha@sllab.co.kr 차인경 기자의 기사 더보기

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