왼쪽 그림은 전파 제트 관측 결과를 바탕으로 만든 이론 모델로 가운데의 큰 블랙홀(큰 점)과 약 35도 방향에 있는 작은 블랙홀(작은 점)이 각각 제트를 내뿜는 모습을 보여준다. 오른쪽 그림은 라디오아스트론으로 촬영한 실제 전파 영상으로 아래쪽이 큰 블랙홀, 그 위가 작은 블랙홀, 가장 위는 작은 블랙홀에서 나온 제트의 일부 구조다. 밝은 부분이 길게 보이는 것은 실제 모습이 아니라 전파망원경의 해상도 한계 때문이라고 연구팀은 설명했다. Mauri J. Valtonen, American Astronomical Society 제공


두 개의 거대한 블랙홀이 서로를 중심으로 도는 모습이 인류 역사상 처음으로 전파 영상에 담겼다. 과거에는 천문학자들이 단일 미즈사랑 블랙홀의 이미지만 촬영할 수 있었지만 이번에는 두 블랙홀이 함께 도는 모습이 하나의 전파 영상에 담겼다.
마우리 발토넨 핀란드 투르쿠대 교수팀은 초고해상도 전파망원경 자료를 분석해 퀘이사 ‘OJ 287’의 쌍둥이 블랙홀을 전파 영상으로 확인했다고 밝혔다. 연구 결과는 9일(현지시간) 국제학술지 '천체물리학저널(The Astrophysic 소상공인 기준 al Journal)'에 공개됐다.
OJ 287은 지구에서 약 50억 광년 떨어진 퀘이사로 밝기가 약 12년 주기로 변해 오래전부터 블랙홀 쌍이 공전한다는 가설이 제기됐다. 퀘이사는 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 급속히 삼키며 막대한 에너지를 내 은하보다 밝게 보이는 천체다. 1982년 투르쿠대 대학원생이던 아이모 실란파가 이 직장구하기 주기를 처음 보고한 뒤 전 세계가 40년 넘게 OJ 287을 추적했다. 
결정적 단서는 미국 항공우주국(NASA)의 외계행성 탐사위성 ‘테스(TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite)’ 관측에서 나왔다. 테스는 OJ 287에서 두 블랙홀 각각에서 나오는 빛의 변화를 분리해 감지했다. OJ 287에 실 대전햇살론 제로 블랙홀이 두 개 존재한다는 강력한 단서를 제시한 셈이다.
하지만 광학망원경의 해상도로는 두 블랙홀을 각각 구분할 수 없었다. 이를 분리하려면 약 10만 배 더 높은 해상도가 필요하다. ‘전파망원경을 이용한 간섭 기술(VLBI)’로만 가능한 관측이다. 
연구팀은 지상의 여러 전파망원경과 우주 전파망원경 ‘라디오아스트론 kb자산운용 (RadioAstron)’을 연결해 지구보다 훨씬 큰 하나의 가상 망원경처럼 작동하는 관측 시스템을 구축했다. 러시아우주국이 2011년에 발사한 라디오아스트론은 지구에서 최대 약 35만 km 떨어진 고타원형 궤도를 돌며 관측을 수행한다.
라디오아스트론과 지상 망원경들이 동시에 같은 대상을 관측하면 지구와 달 사이에 맞먹는 거리 차이를 활용해 하나의 초대형 망원경처럼 작동한다. 그 결과 이전보다 훨씬 선명한 전파 영상을 얻을 수 있다. 이러한 관측 방식을 ‘국제 전파간섭망(VLBI, Very Long Baseline Interferometry)’이라고 부른다.



이 그림은 퀘이사 OJ 287의 구조를 보여준다. 가운데 큰 블랙홀은 주변의 뜨거운 가스 원반에서 고속의 물질 흐름인 ‘제트(jet)’를 내뿜고 작은 블랙홀이 그 주위를 돌며 자기 제트를 내보낸다. 작은 블랙홀이 큰 블랙홀 주위를 돌기 때문에 그 제트의 방향은 시간이 지나며 주기적으로 바뀌는 것처럼 보인다. Mauri J. Valtonen, American Astronomical Society 제공


연구팀은 관측 데이터를 합성해 초고해상도 영상을 재구성했다. 그 결과 OJ 287 중심부에서 서로 다른 두 위치에서 전파가 방출되는 모습이 나타났다. 블랙홀 주변의 뜨거운 가스가 초고속으로 분출될 때 만들어지는 ‘전파 제트(radio jet)’로 각각의 제트가 두 블랙홀에서 나온 것으로 확인됐다. 서로 공전하는 두 블랙홀이 실제로 존재한다는 직접적인 영상 증거가 확보됐다.
연구팀은 작은 블랙홀에서 ‘꼬리를 흔드는(wagging-tail)’ 제트 형태도 관측했다. 작은 블랙홀이 큰 블랙홀 주위를 빠른 속도로 돌면서 제트의 방향이 주기적으로 휘는 현상으로 앞으로 몇 년 안에 제트의 방향이 실제로 바뀌는 모습이 다시 관찰될 것으로 예상된다.
발토넨 교수는 “두 블랙홀이 서로를 도는 모습을 처음으로 전파 영상으로 확인했다”며 “이번 관측은 초대질량 블랙홀이 어떻게 병합하고 진화하는지를 이해하는 데 핵심 증거를 제공한다”고 밝혔다.  
<참고자료>
- doi.org/10.3847/1538-4357/ae057e
[조가현 기자 gahyun@donga.com]