천체물리학자들이 약 7억 광년 떨어져있는 초대형 타원 은하 홀름버그 15A(Holmberg 15A)중심에서 태양질량 400억 배에 이르는 초대질량 블랙홀을 직접 관측했다. 블랙홀 이벤트호라이즌(event horizon) 폭은 790AU(14조2200억 킬로미터(Km)에 달했다.

4월 EHT(Event Horizon Telescope) 팀이 최초로 촬영에 성공한 우리은하 중심 궁수자리A*(Sagittarius A*) 블랙홀 M87은 태양 질량의 65억배, 이벤트호라이즌 폭은 약 380억 킬로미터였다.

관측을 위해 천체 물리학자 키아누시 머간(Kianusch Mehrgan)과 동료 연구자들은 칠레의 아타카마 사막에 위치한 거대한 천체 망원경을 사용했다.

아벨85(Abell 85) 은하단의 중심에 위치한 이 블랙홀은 지금까지 발견 된 가장 큰 블랙홀 중 하나다. 1937년 에릭홀름버그(Erik Holmberg)가 발견한 홀름버그15A는 약 15,000광년에 해당하는 은하계에서 관측 된 가장 큰 코어을 가진 것으로보고됐다.

주변 별의 움직임을 추적 은하와 은하단 동역학에 기반한 이전의 계산은 태양 질량의 최대 3,100억 배에 이르는 질량을 추정했다. 그러나 이것들은 모두 블랙홀의 간접 측정이었다.

2015년 관련 논문 ‘TOO BIG TO BE REAL? NO DEPLETED CORE IN HOLM 15A’ 이미지. credit:The Astrophysical Journal.

이번 연구는 최초의 직접 측정이다. 이 논문은 천체 물리 저널(The Astrophysical Journal)에 제출, 동료 검토를 기다리고 있다.

연구진은 논문에서 궤도 기반의 축 대칭 슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild radius) 모델을 사용해 VLT의 MUSE로 얻은 새로운 고해상도 광시야 스펙트럼 관측으로 Holm 15A의 별 운동학(stellar kinematics)를 분석했다. Holm15A 중심 초대질량 블랙홀(SMBH)에서 태양질량의 (4.0 ± 0.80) × 10^10 배의 질량을 확인했다고 연구진은 논문에서 밝혔다. MUSE (Multi-unit spectroscopic explorer)는 ESO(European Southern Observatory) VLT (Very Large Telescope)에 설치된 필수 필드 분광기다.

이것이 가장 큰 블랙홀은 아니다. 퀘이사 TON 618은 간접 측정을 기반으로 태양 질량 660억 배에 이르는 블랙홀로 기록됐다. 그러나 Holm 15A*는 400억배 태양 질량과 함께 블랙홀의 사건지평이 태양계 행성 궤도 크기 몇배에 해당한다.

명왕성은 평균적으로 태양으로부터 39.5천문단위(astronomical units, AU)다. 태양풍이 더 이상 성간 공간에 닿을 수 없는 헬리오파우스(heliopause)는 123AU 정도로 생각된다. 1AU는 180억 킬로미터(18billion km)에 해당한다.

새로운 논문에 의해 결정된 Holm 15A * 질량에서 슈바르츠실트 반경은 약 790AU다. 실제 연구원들이 제안한 다른 측정치보다 훨씬 크다. Holm 15A *의 질량이 간접 방법을 통해 정하기 어려운 이유를 설명한다.

연구원들은“홀름15A SMBH는 현재까지 가장 큰 규모 일뿐만 아니라, 은하의 별 모양 덩어리와 은하의 별 속도 분포를 고려할 때 예상보다 4 ~ 9배 더 크다”고 말했다.

연구진은 또한 홀름15A를 포함한 중심 은하 블랙홀 질량이 각각 중심부 별 표면 밝기와 질량 밀도에 반비례한다는 것을 발견했다. 그들은 블랙홀이 어떻게 형성되었는지 정확하게 파악하기 위해 계속 연구하고, 더 복잡하고 자세한 모델링을 수행하고 결과를 관찰 결과와 비교하려한다.

이 연구는 출판전논문 사이트 아르시브(arXiv)에서 이용할 수 있다.

*슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild radius)

슈바르츠실트 반지름은 블랙홀이 되기 위한 어떤 물체의 반지름 한계점이다.

물체가 충분한 질량을 가지게 되어 특정 밀도에 가까워지면 물체의 중력이 매우 커지게 된다. 축퇴압(degeneracy pressure)이 물체의 밀도가 무한히 증가하고 그 부피가 줄어드는 것을 막게 되는데, 물체의 질량이 한계점을 넘어 축퇴압이 견딜 수 없을 정도로 강한 중력을 갖게 된 그 물체의 크기가 슈바르츠실트 반지름보다 작아지면 블랙홀이 된다. 슈바르츠실트 반지름에 도달했을 때의 표면은 회전하지 않는 물체의 사건 지평선과 같이 작용한다. 어떠한 빛이나 입자도 이 표면에 해당하는 영역에서 벗어날 수 없으므로 블랙홀이라 부른다.

현재 은하 중심부에 존재한다고 추측하는 초대질량 블랙홀의 슈바르츠실트 반지름은 대략 780만km정도이다.

*초대질량 블랙홀 (supermassive black hole, SMBH)

일반 밀도로 태양 질량의 1억 5천만배로 축적된 물체가 슈바르츠실트 반지름 안으로 들어오게 된다면, 이를 초대질량 블랙홀이라고 한다. 370만M☉정도의 크기를 가진 우리 은하의 중앙에 있는 블랙홀은 블랙홀의 존재에 대해 신빙성 있는 관측에 의한 증거 중의 하나다. 블랙홀들은 별 크기의 블랙홀에서 시작하여 다른 블랙홀들과 물질들의 증량에 의해 점점 커진다. 실험에 의해 밝혀진 초대질량 블랙홀의 크기와 은하 팽대부(bulge)의 별의 분산속도(stellar velocity dispersion)σ 사이의 관계는 ‘M-시그마 관계(M-sigma relation)’라 한다. 현재 그 크기가 180억M☉에 달하는 초대질량 블랙홀까지 관측됐다.