실시간으로 관측된 초거대 블랙홀의 놀라운 변화

국제적인 과학자 팀이 천문학자들이 예상치 못했던 현상을 실시간으로 관측하는 데 성공했습니다. 이 놀라운 발견은 메릴랜드 대학교 볼티모어 카운티(UMBC)의 물리학 부교수인 에일린 마이어가 주도한 논문으로, 천체물리학 저널 레터스에 게재되었습니다.

 

 

 

2억 7천만 광년 떨어진 은하, 1ES 1927+654

이번 관측의 중심에는 지구로부터 약 2억 7천만 광년 떨어져 용자리 별자리에 위치한 1ES 1927+654라는 은하가 있습니다. 오랫동안 과학자들은 1ES 1927+654를 활성 은하핵(AGN)으로 분류해 왔는데, 이는 중심부에 활동적인 블랙홀이 있다는 것을 의미합니다. 이 특정 블랙홀은 물질을 비교적 느린 속도로 흡수하고 있었지만, 어느 순간 상황이 급변했습니다.

 

 

 

급격한 활동 증가와 관측의 시작

2018년, 이 블랙홀은 갑자기 활동이 기하급수적으로 증가하면서 처음으로 주목을 받았습니다. 물질 흡수 속도가 급격히 증가하여 불과 몇 달 만에 가시광선 스펙트럼에서 100배 이상 밝아졌습니다. 이러한 변화는 이전에는 인간의 수명을 훨씬 뛰어넘는 수천 년에서 수백만 년에 걸쳐 일어나는 것으로 여겨졌습니다. 이후 과학자들은 추가적인 흥미로운 현상을 관측하기 위해 이 블랙홀을 면밀히 관찰해 왔고, 1ES 1927+654는 기대에 부응하는 모습을 보여주었습니다.

 

 

 

X선 방출과 라디오파 방출의 급증

2018년에 시작된 주요 활동 증가는 거의 1년 동안 극도로 높은 수준의 X선 방출을 포함했습니다. 이후 2020년에는 다시 잠잠해졌다가 2023년에 다시 한번 출력을 급격히 증가시켰습니다. 이때 불과 몇 달 만에 이전 강도의 60배에 달하는 라디오파를 방출하기 시작했는데, 이는 초거대 블랙홀에서 실시간으로 관측된 적이 없는 행동입니다.

 

 

초고해상도 이미징과 플라즈마 제트 형성

초장기선 간섭계(VLBI)라는 기술을 사용하여 수집된 최고 해상도의 라디오 주파수 방출 이미징은 블랙홀 근처에서 형성되어 2023년부터 2024년까지 바깥쪽으로 확장되는 한 쌍의 반대 방향 플라즈마 제트를 명확하게 보여줍니다. 블랙홀의 다른 특이한 행동 중에서도 이것은 실시간으로 제트 형성을 관측한 최초의 사례입니다.

 

 

 

변화하는 활성 은하핵과 새로운 발견의 의미

최근 몇 년 동안 과학자들은 처음 관측되었을 때보다 라디오 주파수에서 훨씬 더 강렬하게 방출하는 것으로 보이는 몇몇 초거대 블랙홀을 발견했으며, 이를 "변화하는 활성 은하핵"이라고 부릅니다. 하지만 지금까지 이들은 수년 또는 수십 년 간격의 두 시점에서 관측되었고, 그 사이에 "무언가 일어났다"는 가정이 있었습니다. 이번 새로운 논문은 이러한 종류의 변화가 어떻게 일어나는지 자세히 보여주는 최초의 사례입니다. 즉, 과거에는 시간 간격을 두고 관측하여 변화의 결과만 알 수 있었다면, 이번 연구를 통해 변화의 과정을 실시간으로 포착했다는 점에서 큰 의미를 가집니다.

 

 

 

 

블랙홀 제트의 영향과 우주 진화

블랙홀에서 방출되는 제트는 모은 경우에는 모은 은하 외부의 거대한 규모까지 도달할 수 있으며, 별의 형성에 영향을 미칠 수 있다고 마이어 교수는 설명합니다. 제트가 어떻게 작동하는지 파악하는 것은 우주가 어떻게 진화하고 은하가 어떻게 진화했는지에 대한 큰 그림을 이해하는 데 매우 중요한 요소입니다.

 

 

 

실시간으로 관측된 제트의 활성화

이번 논문에 설명된 사례에서 과학자들은 라디오 제트가 실시간으로 '켜지는' 매우 자세한 관측 결과를 얻었으며, 특히 VLBI 관측은 플라즈마 덩어리가 블랙홀에서 바깥으로 이동하는 모습을 명확하게 보여주는 더욱 흥미로운 결과를 제공했습니다. 이는 라디오 플레어를 유발하는 것이 다른 과정이 아닌 플라즈마의 유출 제트임을 보여줍니다. 즉, 라디오 방출 증가를 유발하는 다른 어떤 과정이 아니라, 블랙홀 바로 근처에서 발생하여 광속의 20~30% 속도로 이동하는 제트라는 것을 보여줍니다. 이것이 이번 연구의 핵심적인 발견입니다.

 

 

공동 연구와 추가적인 X선 관측

UMBC 우주 과학 기술 센터의 연구 조교이자 이번 논문의 제2 저자인 시바시스 라하는 오랫동안 X선 파장에서 변화하는 활성 은하핵을 연구해 왔습니다. 1ES 1927+654의 라디오 주파수 방출에서도 흥미로운 현상이 나타날 수 있다는 직감으로 2020년에 마이어 교수에게 연락하여 1ES 1927+654 및 기타 유사한 은하를 공동 연구하기 시작했습니다. 현재 심사 중인 동반 논문의 주 저자이기도 한 그는 추가적인 X선 관측과 제트 형성 사건에 대한 해석을 담았습니다.

 

 

 

블랙홀과 은하의 상호 작용에 대한 이해

라하 연구원은 "우리는 여전히 블랙홀과 모은 은하가 서로 어떻게 상호 작용하고 우주 시간 속에서 함께 진화하는지 이해하지 못하고 있다"며 "이번 연구는 초거대 블랙홀이 모은 은하와 어떻게 '소통'하는지 이해할 수 있는 드문 기회를 처음으로 제공한다"고 말합니다. 즉, 이번 연구는 블랙홀과 은하 사이의 상호 작용 메커니즘을 밝히는 중요한 단서가 될 수 있음을 시사합니다.

 

 

 

시간 영역 천문학의 중요성

이러한 연구에서 시간은 매우 중요합니다. '시간 영역 천문학'이라고 불리는 이 분야는 "심장이 약한 사람을 위한 것이 아니다"라고 마이어 교수는 말합니다. 즉, 급박한 경고가 발생하면 즉시 후속 조치를 취해야 합니다. 자정이든 상관없이 이메일을 보내야 합니다. 모든 시간이 중요하기 때문입니다. 이러한 긴박함 속에서 연구가 진행됩니다.

 

 

 

전방위적인 협력과 관측 노력

이 프로젝트는 UMBC 협력팀에게 "총력전"의 순간이 되었습니다. 2023년에 라디오 활동의 급증을 목격한 후, 마이어 교수는 "우리는 '이런, 뭔가 일어나고 있어'라고 생각했다. 이런 현상은 이전에는 본 적이 없었다. 우리는 매우 흥분했고, 그래서 모든 라디오 망원경을 동원하여 이 천체를 관측하려고 전력을 다했다"고 말합니다.

 

 

 

긴급 관측 승인과 데이터 분석

1ES 1927+654가 눈앞에서 너무나 빠르게 변화하고 있었기 때문에, 연구팀은 일반적으로 수개월 또는 수년 전에 일정을 예약해야 하는 망원경 관측 시간을 연구 기간 동안 새롭게, 그것도 예정에 없던 긴급 관측으로 배정받을 수 있었습니다. 이는 이례적인 상황으로, 연구의 중요성을 입증하는 부분입니다.

마이어 교수와 함께 연구하는 박사후 연구원이자 논문의 제3 저자인 오닉 슈보는 늦은 밤까지 데이터를 신속하게 분석하고 새로운 관측을 요청하는 등 중요한 역할을 담당했습니다. 그는 이러한 흥미로운 발견의 일원이 된 것에 매우 기뻐하며, "이 놀라운 발견은 AGN 활동에 대한 기존 모델에 도전하고, 변화하는 활성 은하핵이 활성 은하 중심부의 미스터리를 실시간으로 밝히는 데 있어 독특한 역할을 한다는 것을 강조한다"고 말합니다.

 

 

 

상대적으로 작은 제트와 그 중요성

1ES 1927+654에서 나오는 새로 생성된 제트는 일부 가장 강력한 AGN의 거대한 제트 구조에 비해 상대적으로 작다고 마이어 교수는 말합니다. 하지만 그렇다고 해서 덜 흥미로운 것은 아닙니다. 사실, 이러한 작은 제트는 우주에서 훨씬 더 흔하게 나타나기 때문에 이해하는 것이 매우 중요하다고 그녀는 설명합니다. 즉, 규모는 작지만 우주 전반에 걸쳐 흔하게 나타나는 현상이기 때문에 우주 진화에 미치는 영향을 파악하는 데 중요한 단서가 될 수 있다는 것입니다.

 

 

 

조석 파괴 현상 가능성과 추가 연구의 필요성

일부 데이터는 2018년 가시광선 영역에서 발생한 플레어가 별이나 가스 구름과 같은 큰 물체가 비활성 블랙홀에 너무 가까이 다가가 일시적으로 밝아지는 "조석 파괴 현상" 때문일 수 있다고 시사했습니다. 하지만 이미 활성 상태인 은하에서 조석 파괴 현상이 관측되는 것은 드물고 잘 이해되지 않고 있습니다. 따라서 이번 연구 결과는 조석 파괴 현상과 활성 은하핵의 활동 사이의 관계를 연구하는 데에도 중요한 시사점을 제공할 수 있습니다. 앞으로 더 많은 연구를 통해 이 현상에 대한 이해를 높여야 할 것입니다.

 

 

 

작고 수명이 짧은 제트, 콤팩트 대칭 천체(CSO)

가장 큰 플라즈마 제트는 모은 은하를 훨씬 넘어 수백만 년 동안 지속되는 반면, 과학자들은 "콤팩트 대칭 천체(CSO)"라고 불리는 작고 수명이 짧은 새로운 종류의 제트에 대한 이해를 넓혀가고 있습니다. 마이어 교수는 이번 사례의 데이터가 새로운 CSO의 탄생을 가장 강력하게 시사한다고 믿습니다. 최근의 한 가설에 따르면, CSO의 제트는 다른 곳에서 보이는 매우 크고 수명이 긴 제트와 질적으로 다르며, 아마도 "별이나 가스 구름의 단일 섭취, 즉 단일 조석 파괴 현상이 발생하여 약 1,000년 동안 이 단기 제트에 동력을 공급하는 것"을 나타낼 수 있다고 마이어 교수는 설명합니다.

 

 

 

조석 파괴 현상과 제트 형성 시점

아마도 조석 파괴 현상은 몇 년 전에 발생했을 것이고, 연구팀이 2023~2024년에 관측한 것처럼 "블랙홀이 물질을 흡수하고 제트 생성을 시작하는 데 몇 년이 걸렸을 것"이라고 마이어 교수는 추측합니다. 즉, 과거에 발생한 조석 파괴 현상의 여파가 시간이 흘러 2023년에 제트 형성이라는 형태로 나타났을 가능성을 제기하는 것입니다.

 

 

 

블랙홀 제트 생성 메커니즘의 미스터리

전반적으로 "우리는 수십 년 동안 이러한 천체를 연구해 왔음에도 불구하고 왜 물질을 흡수하는 블랙홀의 일부만이 제트를 생성하는지, 그리고 정확히 어떻게 제트를 방출하는지 아직 제대로 이해하지 못하고 있다"고 마이어 교수는 말합니다. 최근까지 우리는 블랙홀을 둘러싼 강착 원반이 어떻게 상호 작용하고 제트를 생성하는지, 즉 내부의 가장 안쪽 영역을 직접 들여다볼 수 없었습니다. 따라서 여전히 많은 미해결 과제가 남아 있습니다. 즉, 블랙홀의 제트 생성 메커니즘은 여전히 풀리지 않은 숙제로 남아 있다는 것을 의미합니다.

 

 

 

향후 연구 방향과 기대

미해결 과제는 남아 있지만, 오늘날에는 블랙홀이 제트를 생성하는 방법에 대한 많은 유망한 모델이 있다고 마이어 교수는 말합니다. 다음 단계에는 이론가들과 협력하여 이번 연구의 데이터가 이러한 모델을 테스트하고 개선하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 이해하는 것이 포함될 것입니다. 즉, 이번 연구에서 얻은 풍부한 데이터를 바탕으로 이론적인 연구를 진행하여 블랙홀 제트 생성 메커니즘에 대한 이해를 심화시킬 계획입니다.

"우리가 본 것을 이해하기 위해 해야 할 이론적 연구가 많이 있지만, 좋은 점은 우리가 엄청난 양의 데이터를 가지고 있다는 것입니다."라고 마이어 교수는 말합니다. "우리는 이 천체를 계속 추적할 것이고, 앞으로도 계속 흥미로운 결과를 얻을 수 있을 것입니다." 즉, 앞으로도 지속적인 관측과 연구를 통해 더 많은 비밀을 밝혀낼 수 있을 것이라는 기대를 나타내는 것입니다.