우주 vs 지상 망원경 대결 불꽃

적외선 우주망원경 ‘와이즈(WISE)’로 찾아낸 거대 블랙홀. 이 블랙홀은 빅뱅 후 9억 년이 지난 시점에 만들어진 것으로 추정된다. 상해천문대 제공

태양 질량의 120억 배에 이르는 거대 블랙홀을 발견한 ‘와이즈(WISE)’ 우주망원경. NASA 제공

중국 베이징대와 미국 애리조나대 등 국제 연구진이 태양 질량의 약 120억 배에 이르는 거대 블랙홀을 발견해 최근 ‘네이처’에 발표했다. 지구와 비교하면 약 4000조 배 무겁고, 지구에서 거리만 128억 광년에 이른다. 지금까지 발견된 가장 무거운 블랙홀은 태양 질량의 210억 배로, 2011년 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 연구진이 찾아냈다.

○ 우주에선 블랙홀 주변 적외선이나 X선 측정

광활한 우주에서 블랙홀을 찾는 ‘블랙홀 헌터’가 사용할 수 있는 ‘무기’는 크게 두 가지다. 우주망원경과 지상망원경.

이번에 거대 블랙홀을 찾아낸 것은 적외선 우주망원경 ‘와이즈(WISE)’다. 블랙홀은 망원경으로 찾기 때문에 흔히 ‘관측했다’는 표현을 쓰지만, 실제로 블랙홀은 빛까지 빨아들이기 때문에 관측이 불가능하다. 블랙홀의 엄청난 중력 때문에 블랙홀 주위로 물질이 빨려 들어가면서 생기는 ‘강착원반(accretion disk)’에서 뿜어내는 엄청난 에너지를 측정해 블랙홀의 존재를 간접적으로 추정할 뿐이다. 와이즈와 같은 적외선 우주망원경은 블랙홀 인근의 강착원반 주위에서 발생하는 적외선을 측정해 블랙홀의 존재를 확인한다. 적외선을 이용하는 만큼 블랙홀이 먼지에 둘러싸여 있어도 잘 찾아내는 편이다. 하지만 적외선 우주망원경 개발은 기술적으로 상당히 까다롭고, 장비 값이 비싸다는 단점이 있다.

이 때문에 블랙홀 헌터에게는 ‘찬드라(Chandra)’처럼 X선 우주망원경도 훌륭한 ‘카메라’다. X선 우주망원경은 블랙홀이 별 등 물질을 빨아들이면서 강착원반이 방출하는 강력한 X선을 측정해 블랙홀의 존재를 확인한다. ‘누스타(NuSTAR)’는 1월 지구로부터 1억3200만 광년 떨어진 두 은하가 충돌해 ‘괴물 블랙홀’이 탄생하는 현장을 포착하기도 했다. 하지만 X선 우주망원경은 관측 조건에 제약이 많아 한 번에 블랙홀을 여러 개 찾아내기는 힘들다.

10만 개가 넘는 퀘이사를 찾아낸 미국 ‘아파치포인트천문대(APO)’의 구경 2.5m 광학망원경. 슬론디지털스카이서베이(SDSS) 제공

○ 지상에선 전파나 퀘이사 공략

굳이 우주에 나가지 않고 지상에서도 얼마든지 블랙홀 헌터 활동을 할 수 있다. 지상에 설치된 망원경을 이용하면 된다. 김민진 한국천문연구원 선임연구원은 “강착원반에서 발생하는 적외선과 X선은 대기를 통과하지 못해 지상망원경으로는 관측이 어렵다”면서 “대신 강착원반이 내놓는 전파와 자외선 등을 측정해 지상에서도 블랙홀을 찾을 수 있다”고 말했다. 지상의 전파망원경은 강착원반에서 발생하는 전파의 에너지를 측정해 블랙홀을 찾는다. 1963년 미국 캘리포니아공대 마르턴 슈미트 박사가 인류 최초로 발견한 블랙홀도 전파망원경을 이용했다. 올해 2월 영국 더럼대 연구진은 미국 뉴멕시코 주에 있는 전파망원경(VLA)을 사용해 지구에서 11억 광년 거리에 있는 은하 중심에서 블랙홀을 찾아내는 데 성공했다.

전파망원경은 비교적 쉽게 측정할 수 있다는 장점이 있지만 모든 블랙홀에서 전파 에너지가 강하게 나오는 것은 아니어서 발견할 수 있는 블랙홀의 종류가 제한적이다.

광학망원경으로도 블랙홀을 찾을 수 있다. 광학망원경이 집중적으로 찾는 대상은 ‘퀘이사’다. 퀘이사는 블랙홀이 주변의 가스를 빨아들이면서 밝은 빛을 내는 천체로, 광학망원경은 퀘이사에서 나오는 강한 자외선을 찾는다. 미국 뉴멕시코 주 아파치포인트천문대(APO)의 구경 2.5m 망원경으로는 지금까지 10만 개가 넘는 퀘이사를 찾았다.

신선미 동아사이언스 기자 vamie@donga.com