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- 일반적으로 모든 은하의 중심에는 초거대 블랙홀이 존재
- 멀리 떨어진 은하 J0148-4214에는 하나가 아닌 세 개의 초거대 블랙홀이 존재
- 세 번째 블랙홀은 은하 중심부가 아닌 외곽, 중심 블랙홀 쌍에서 약 5천5백 광년 떨어져
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초기 은하에서 최초로 세 개의 거대 블랙홀이 발견되었다.

일반적으로 모든 은하의 중심에는 초거대 블랙홀이 존재하며, 우리 은하 또한 예외는 아니다. 이 중심 블랙홀은 별 형성, 가스 이동, 그리고 은하의 전반적인 진화에 영향을 미친다. 하지만 이처럼 거대한 중력을 가진 블랙홀이 어떻게 그렇게 커졌는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 천문학자들은 은하 충돌과 그로 인한 블랙홀 병합이 중요한 역할을 했을 것으로 추측한다. 

▲ 천문학자들이 세 개의 활동적인 초거대 블랙홀을 포함하는 초기 은하를 발견했다. 일반적으로는 블랙홀이 하나만 존재해야 한다. (크기는 실제와 다르다.) · 사진: © 막스 플랑크 외계물리연구소 (AI 생성)

이에 대한 증거는 충돌하는 은하들 사이에서 서로 공전하는 두 개의 초거대 블랙홀을 관측한 결과에서 찾아볼 수 있다. 어떤 은하들은 이미 매우 가까워 병합 직전에 있을 가능성도 있다. 또한, 세 개의 블랙홀로 이루어진 삼중 블랙홀이 발견된 사례도 있지만, 이는 모두 가까운 우주에서만 관측된 것이다.

한 은하에 존재하는 세 개의 거대 중력 블랙홀

이제 천문학자들은 초기 우주에서 이러한 삼중 초거대 블랙홀을 발견했다. 가르싱에 있는 막스 플랑크 외계물리학 연구소의 주 저자인 한나 위블러(Hannah Übler)는 "이는 먼 우주에서 같은 은하에 세 개의 활동적인 블랙홀이 존재하는 것을 처음으로 발견한 사례"라고 밝혔다. 그와 동료들은 제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 사용하여 은하계 삼중 블랙홀을 발견했다.

천문학자들의 설명에 따르면, 이러한 고해상도 분광 분석에서 활동적인 블랙홀은 특징적인 방출선 영역, 즉 넓어진 방출선을 통해 모습을 드러낸다. 이 방출선은 블랙홀 주변을 빠르게 움직이는 가스의 복사에 의해 방출된다. 천문학자들은 이러한 분광선의 특성을 바탕으로 블랙홀의 위치, 크기, 질량을 측정할 수 있다. 이번 연구에서 위블러와 그녀의 연구팀은 125억 광년 떨어진 은하 J0148-4214를 대상으로 삼았다.

중심의 두 블랙홀과 외곽 블랙홀

분광 분석 결과, 멀리 떨어진 은하 J0148-4214에는 하나가 아닌 세 개의 초거대 블랙홀이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이 블랙홀 중 두 개는 은하 중심에서 서로 공전하며, 약 620광년 떨어져 있다. 두 블랙홀은 너무 가까이 있어서 추가적인 분광 분석을 통해서만 별개의 천체로 식별할 수 있었다. 질량이 각각 8천만 태양 질량과 60만 태양 질량인 이 두 블랙홀은 크기가 매우 다른 쌍이다. 두 블랙홀이 모두 은하 중심부에서 형성되었는지, 아니면 작은 블랙홀이 이전 은하 병합 과정에서 생성된 것인지는 아직 불분명하다고 연구팀은 밝혔다.

세 번째 블랙홀은 은하 중심부가 아닌 외곽, 중심 블랙홀 쌍에서 약 5천5백 광년 떨어진 곳에 위치해 있다. 천문학자들은 약 200만 태양 질량의 이 "세 번째 블랙홀"이 중심 블랙홀 쌍과의 상호작용으로 인해 외곽으로 밀려났을 것으로 추측한다. 이 블랙홀이 현재 은하 J0148-4214로 끌려가고 있을 가능성도 있다. 위블러는 "이는 초기 우주에서 거대한 블랙홀들이 효율적으로 서로 가까워질 수 있는 과정이 존재했음을 시사한다"고 말했다.

▲ 은하 J0148-4214의 이온화된 수소 분포와 세 블랙홀의 위치 (크기는 실제 비율과 다름). 가장 질량이 큰 블랙홀과 가장 질량이 작은 블랙홀이 중심 쌍을 이룬다. — © Hannah Übler

중심 쌍, 곧 병합될 가능성 높아

천문학자들에 따르면, 새로 발견된 세 개의 블랙홀은 초기 우주의 역동적인 과정을 뒷받침하는 증거다. 위블러와 그의 동료들은 "초기 은하에서 이러한 세 개의 블랙홀이 발견된 것은 당시에는 이러한 다중 블랙홀이 더 흔했을 가능성을 시사한다"고 밝혔다. 케임브리지 대학교의 공동 저자 로베르토 마이올리노는 "이번 결과는 초기 우주에서 블랙홀 병합이 블랙홀의 급속한 성장을 위한 또 다른 빠른 경로였을 수 있음을 나타낸다"고 덧붙였다.

천문학자들은 또한 이 세 개의 블랙홀이 어떻게 진화할지 연구했다. 그들의 모델에 따르면, 중심 쌍은 아직 중력적으로 서로 묶여 있지 않다. "하지만, 거리가 가깝고 시스템의 크기가 크다는 점은 이들이 이미 동적 마찰 단계에 있음을 시사한다"고 연구팀은 설명했다. 이 마찰로 인해 블랙홀은 점차 에너지를 잃고 서로에게 점점 더 가까워진다. 따라서 이들은 약 5억 5천만 년에서 6억 6천만 년 후에 병합될 수 있다.

예외: "벌거벗은" 블랙홀의 전조일까?

세 번째 블랙홀의 미래는 예측하기 어렵다. 만약 중심 쌍성과의 상호작용으로 인해 방출되었다면, 충분한 운동량을 얻어 결국 은하계를 완전히 벗어날 수도 있다. "그렇게 되면 블랙홀은 소량의 가스, 별, 암흑 물질을 함께 끌고 갈 수 있다"고 위블러와 그의 동료들은 설명한다. 이후 관측에서 이러한 예외는 주변에 은하가 없는 "벌거벗은" 블랙홀처럼 보일 것이다.

"이 결과는 매우 흥미롭다"고 마이올리노는 말했다. 이 결과는 초거대 블랙홀이 어떻게 성장하고 서로 그리고 주변 은하와 어떻게 상호작용하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공한다.

출처: Hannah Übler (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching) et al., Astronomy & Astrophysics, 2026; doi: 10.1051/0004-6361/202557419

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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