블랙홀 먹이 활동과 밝기 패턴으로 크기를 알 수 있다

블랙홀이 주변 물체를 삼키는 패턴은 블랙홀 크기에 대한 통찰력을 제공한다. 새로운 연구에 따르면 초대질량 블랙홀이 활발하게 운동할때 관찰되는 밝기의 깜박임은 질량과 관련이 있다.

초대질량 블랙홀(SMBH)은 태양보다 수백만 배에서 수십억 배 더 무겁고 일반적으로 거대한 은하의 중심에 있다. 휴면 상태에서 주변의 가스와 별을 삼키지 않을 때 SMBH는 매우 작은 빛을 방출한다. 천문학자들이 그것들을 탐지할 수 있는 유일한 방법은 그것들이 주변에있는 별과 가스에 미치는 중력의 영향을 통해서다. 그러나 초기 우주에서 SMBH가 빠르게 성장하고 있을 때 SMBH는 집중적인 속도로 물질을 공급받고 엄청난 양의 방사선을 방출했으며 때로는 그들이 거주하는 은하 전체를 능가했다고 연구원들은 말한다.

미국 일리노이 대학교 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign ) 천문학과 대학원생 Colin Burke와 Yue Shen 교수가 주도한 새로운 연구는 활발하게 활동하는 SMBH의 질량과 빛이 반짝이는 패턴의 특징적인 시간 척도 사이의 결정적인 관계를 밝혀냈다.

연구 결과는 8월 13일 사이언스(Science) 저널에 게재됐다.

강착 SMBH에서 관찰된 빛은 일정하지 않다. 아직 이해되지 않은 물리적 프로세스로 인해 몇 시간에서 수십 년에 이르는 시간 범위에 걸쳐 깜박임을 표시한다. Burke는 “관찰된 깜박임과 SMBH 질량의 가능한 관계를 조사한 많은 연구가 있었지만 그 결과는 결정적이지 않았고 때로는 논란의 여지가 있었다”고 말했다.

연구팀은 깜박임의 변동성 패턴을 연구하기 위해 SMBH에 적극적으로 먹이를 주는 대규모 데이터 세트를 수집했다. 그들은 SMBH의 질량과 밀접하게 관련되는 패턴이 변하는 특징적인 시간 척도를 확인했다. 그런 다음 연구자들은 그 결과를 백색 왜성, 즉 우리 태양과 같은 별의 잔해와 비교, 백색 왜성이 SMBH보다 수백만에서 수십억 배 덜 무겁지만 동일한 시간 척도-질량 관계가 유지된다는 것을 발견했다.

연구는 빛의 깜박임이 블랙홀의 먹이 공급 과정에서 무작위 변동이라고 설명한다. 시간 척도의 함수로 변동성의 힘을 측정함으로써 이 깜박거리는 패턴을 정량화할 수 있다. SMBH를 증가시키기 위해 변동성 패턴은 짧은 시간 척도에서 긴 시간 척도로 변경된다. 이러한 변동성 패턴의 전환은 더 거대한 블랙홀의 경우 더 긴 특징적인 시간 척도에서 발생한다.

연구팀은 블랙홀 먹이 활동을 인간의 트림과 동일시하여 먹거나 마시는 활동을 비교했다. 아기는 우유를 마시는 동안 트림을 자주하는 반면, 성인은 트림을 더 오래 참을 수 있다. 블랙홀은 먹이를 주는 동안 같은 일을 한다고 그들은 말했다.

Shen은 “이러한 결과는 중심 물체가 초대질량 블랙홀이든 훨씬 더 가벼운 백색왜성이든 상관없이 강착(accretion) 중 깜박임을 유발하는 과정이 보편적임을 시사한다”고 말했다.

Flatiron Institute의 연구원이자 연구 공동 저자인 Yan-Fei Jiang은 “관찰된 빛의 깜박임과 accretor의 기본 특성 사이의 확고한 연결은 강착(accretion) 과정을 더 잘 이해하는 데 확실히 도움이 될 것”이라고 설명했다.

천체 물리학 블랙홀은 질량과 크기가 광범위하다. 태양 질량의 수십 배 미만인 항성질량 블랙홀의 개체군과 SMBH 사이에는 태양의 질량 약 100~10만 배에 달하는 중간질량 블랙홀(intermediate-mass black holes, IMBH)이라는 블랙홀 개체군이 있다.

IMBH는 우주의 역사를 통해 대량으로 형성될 것으로 예상되며, 나중에 SMBH로 성장하는 데 필요한 씨앗을 제공할 수 있다. 그러나 관찰할 때 이 IMBH 집단은 놀라울 정도로 파악하기 어렵다. 의심할 여지 없이 확인된 IMBH는 태양 질량의 약 150배에 불과하다. 그러나 그 IMBH는 두 개의 덜 무거운 블랙홀의 합체에서 발생하는 중력파 복사에 의해 우연히 발견됐다.

Burke는 “이제 깜박거리는 패턴과 중심 강착 물체의 질량 사이에 상관 관계가 있으므로 이를 사용하여 IMBH의 깜박거리는 신호가 어떻게 보일지 예측할 수 있다”고 설명했다.