블랙홀 비밀, 찬드라 위성이 벗겼다

블랙홀은 우주생성 초기에 이미 3천만개나 생겨났다.'

美항공우주국(NASA·나사)이 쏘아보낸 찬드라위성이 200개로 이뤄진 거대 블랙홀집단을 발견, 초기 우주의 생성과 블랙홀의 비밀을 처음으로 밝혀냈다.

나사는15일(현지시간) 찬드라위성 데이터를 6주이상 관찰한 결과 찬드라딥필드사우스(Chandra Deep Field South CDFS)지역 관측데이터와 허블우주망원경에서 보내온 광학 및 적외선이미지를 결합, 200개의 블랙홀을 찾아냈다고 발표했다.

찬드라X레이천문대는 이번에 발견된 블랙홀은 지구로부터 127~129광년 떨어져 있고 그 넓이는 660만광년에 이른다고 밝히고 있다. 지구상에서 볼 때 남반구 포르낙스성단(Fornax Constellation)에서 발견할 수 있다.

에제키엘 트라이스타 하와이대 연구팀장은 네이처와의 인터뷰에서 “지금까지 우리는 이 초기 은하에 블랙홀이 존재하는지, 그들이 어떤 일을 하는지에 대해, 전혀 알 수 없었다”고 말했다. 그는 이어 “이제 우리는 그것이 있다는 사실과 함께 갱단단속경찰처럼 급성장하고 있다는 사실을 알게 됐다”고 말했다.

이번에 발견된 블랙홀들은 우주나이로 계산해 8억년~9억5천만년 정도인 초기 우주에 분포된 은하계 사이에 흩어져 있는 것으로서 약 200개에 이른다.

과학자들은 빅뱅 이후부터 지금까지의 기간으로 환산되는 우주나이를 약 137억년으로 계산하고 있다. 이들은 이번 관측으로 '적어도 30%, 많으면 거의 전 은하계들 사이에서 거대블랙홀이 성장중'이라는 사실을 알아냈다.

찬드라X레이천문대는 이번 관찰결과 ▲블랙홀이 빅뱅이후 8억광년이나 성장했고 ▲빅뱅 후 10억년이 되기 전에 적어도 우주에는 3천만개의 블랙홀이 있었음을 알아냈다.

■초거대 블랙홀 3천만개 존재한다

나사의 과학자들은 이 사실로 추정해 볼 때 적어도 3천만개의 초거대 블랙홀이 이 초기 우주에 존재한다는 것을 계산을 통해 알아 냈다. 이는 초기 우주의 ‘퀘이사(quasar 준성 準星)’가 우리 생각한 것보다 1만배나 많이 존재한다는 의미다. 케빈 쇼윈스키 예일대 교수는 “우리가 아주 새로운 베이비 블랙홀을 찾아낸 것 같아요”라고 말했다.

그는 “우리는 이 아기 블랙홀들이 130억년 후에는 10만배나 큰 거대 블랙홀로 성장하며 이는 오늘날 우리가 보는 블랙홀의 크기가 될 것으로 생각한다”고 말했다.

나사는 그동안 과학자들이 빅뱅이후의 초기 우주에서 젊은 블랙홀들이 생겨나는 것은 예상해 왔지만 이를 직접 발견한 것은 이번이 처음이라고 밝혔다.

찬드라 연구팀이 관측결과를 바탕으로 계산한 바에 따르면 성장 중인 블랙홀의 전체 숫자는 최근 추정치의 수백배에 달하는 것으로 드러났다.

■어떻게 찾아냈나

그동안 블랙홀을 연구하는 물리학자들은 어떻게 초거대블랙홀이 형성됐는지 성장하는지를 알고 싶어했지만 방법이 없었다.

이번에 발견된 이들 블랙홀도 거의 모두가 두꺼운 가스 및 먼지 구름으로 둘러싸여 있기 때문에 광학망원경으로는 이들을 찾아낼 수 없었다. 그러나 과학자들은 고에너지 엑스레이광을 이용해 그 내부의 비밀을 벗겨냈다. 나사는 블랙홀과 은하계의 평행 성장 증거가 가까운 거리에서 확인됐다면서 이 새로운 챤드라위성의 관측 결과는 이 둘 간의 연관성이 이전에 생각한 것보다도 더 일찍, 아마도 이들의 탄생시점부터 시작됐음을 보여준다고 밝혔다.

예일대의 프라이어 나타라얀은 “대부분의 천문학자들에게 기존 우주,블랙홀,은하계가 성장하는 것은 상징적”이라면서 “우리는 이 상호의존적 관계가 매우 이른 시점부터 존재했었다는 것을 보여주고자 한다”고 말했다.

■블랙홀의 역할은?

과학자들은 그동안 초기 블랙홀에 대한 연구를 수행하면서 다음과 같은 추정을 내놓았다.

즉, 과학자들은 빅뱅 이후 중성, 또는 충전돼 있지 않았던 상태에 있던 우주가스와 빅뱅 이후 우주의 온도가 차가왔을 때 두루 퍼져 있었던 수소의 소멸시 초기 블랙혹이 중요한 역할을 했을 것이라고 막연하고 단순하게 추측했을 뿐이었다.

그러나 이번에 우주생성초기의 우주안개를 제거해 버린 원인이 좀 더 자세하게 밝혀졌다.

과학자들이 찬드라 위성을 연구한 결과 우주안개 제거를 가져 온 것은 우주먼지의 이불과 가스가 블랙홀에서 나오면서 자외선 방사를 멈춰버린 때문으로 밝혀졌다.

찬드라는 매우 먼 거리에 있는 희미한 물체도 찾아낼 수 있지만 이 블랙홀은 매우 모호해져 거의 광자(photon)가 도망칠수 없을 정도여서 개별적으로는 포착되지 않는다. 연구팀은 찬드라 위성의 능력을 활용했다.

이 위성은 이번에 블랙홀을 찾을 때 결정적인 역할을 한 기능, 즉 멀리 떨어진 은하계들에서 들어오는 X선 수에 추가로 더해지는 X선의 방향을 정확히 알아내고, 통계적으로 엄청난 신호를 찾아 낼 수 있는 기능이 탑재돼 있다.

찬드라 프로그램을 담당하고 잇는 앨러배마 헌츠빌소재 나사 우주비행선센터가 이 임무를 담당하고 있다. 나사는 블랙홀 모습 애니메이션과 이 위성의 관측결과로 밝혀진 10억살이 안된 이 초기 블랙홀의 애니메이션도 함께 공개하고 있다.

나사가 지난 1999년 7월23일 우주왕복선 컬럼비아호를 통해 우주에 설치한 찬드라 위성은 우주에서 방출되는 X레이를 관측하는 천문관측망원경 위성이다. 따라서 폭발하는 별, 은하계 덩어리, 블랙홀 근처의 물질 등에서 나오는 X선을 관측할 수 있다. 찬드라를 쏘아올린 이유는 별에서 오는 X레이를 관측하려 해도 지구 대기에 흡수되기 때문이다. 찬드라는 지구 상공 12만 9천km궤도로 돌고 있다.

미 스미소니언 우주물리학천문대, 찬드라X레이천문대 등이 이 위성을 운영하면서 데이터를 처리해 과학자들에게 배급하고 있다.