[미디어파인=이상원 기자] 약 2억 7천만 광년 떨어진 머나먼 은하 한가운데서 천문학자들을 당혹스럽게 만드는 기이한 현상이 포착됐다. 이 은하 중심에 자리한 거대 블랙홀이 보이는 극적인 변화를 둘러싸고, 우주 곳곳에 있는 블랙홀들이 어떻게 물질을 ‘먹어치우는지’에 대한 우리의 이해가 새롭게 뒤바뀔 가능성이 제기되고 있다.
미 항공우주국(NASA) 등 여러 기관이 주목하고 있는 이 은하의 이름은 ‘1ES 1927+654’로, 용자리(Draco) 방향에 위치해 있다. 이 은하의 중심부에는 태양 질량의 수백만 배가 넘는 초대질량 블랙홀이 자리하고 있는데, 사실 이런 정도의 블랙홀은 대부분의 대형 은하에서 흔히 발견된다. 그럼에도 1ES 1927+654의 블랙홀은 2018년, 예상을 훨씬 벗어나는 강렬한 방사선 폭발을 일으켜 과학계에 커다란 충격을 안겼다. 당시 이 폭발은 블랙홀을 감싸고 있던 억도(億度) 수준의 뜨거운 플라스마 구름인 ‘코로나’를 세 달 동안이나 거의 완전히 사라지게 했는데, 연구자들은 이 극적인 현상이 이른바 ‘조석 교란(tidal disruption) 사건’의 결과일 수 있다고 추측했다. 이는 별 하나가 불운하게도 블랙홀에 너무 가까이 접근하다가 산산조각 나고, 그 파편이 블랙홀에 먹히는 과정에서 발생하는 일종의 폭발적 현상을 말한다.
이러한 급작스러운 폭발 이후, 블랙홀 주변 코로나는 다시 형성되는 듯 보였고, 은하 중심부는 조용한 상태로 돌아가는 듯했다. 그러나 얼마 지나지 않아, 이 블랙홀은 또다시 예기치 못한 신호를 내보냈다. 강력한 전파(電波) 폭발이 관측되는가 하면, X선 빛이 빠른 속도로 깜박이는 등 활발한 움직임이 이어진 것이다. 이렇게 서로 다른 파장에서 동시다발로 벌어진 이례적 사건들은 초대질량 블랙홀 주변에서 좀처럼 볼 수 없는 난해한 현상으로, 기존의 조석 교란 이론만으로는 설명하기 어렵다는 게 천문학자들의 공통된 견해다.
미국 메릴랜드대 볼티모어카운티캠퍼스(UMBC)의 천문학자 아이린 마이어 박사는 국제 공동 연구팀을 이끌고, 지상과 우주에 설치된 복수의 망원경으로 1ES 1927+654에서 발생한 전파 방출 특성을 면밀히 추적했다. 마이어 박사는 원래 이 천체를 “지극히 평범하고 희미한 전파 덩어리”로만 여겼다고 회고한다. 그러나 관측이 이어질수록 상식을 벗어난 현상들이 잇달아 드러나자, “이 블랙홀은 정말 이상하다는 생각을 하게 됐다”고 말했다. 특히 연구팀은 전파 폭발 직후 블랙홀이 막대한 에너지를 머금은 플라스마 제트 두 개를 쌍으로 뿜어낸 사실을 확인했다. 이 제트들은 빛의 3분의 1에 달하는 빠른 속도로 블랙홀에서 반대 방향으로 뻗어나가며, 초대질량 블랙홀이 물질을 강렬하게 빨아들이는 상황에서 나타나는 대표적 지표로 알려져 있다.
그렇다면 별이 블랙홀에 잡아먹히는 ‘평범한’ 조석 교란 현상만으로는 설명이 안 된다면, 1ES 1927+654 블랙홀의 이 이례적 행위를 무엇으로 볼 수 있을까? 매사추세츠공과대(MIT)의 박사 과정 연구원인 메건 매스터슨은 X선 망원경 ‘XMM-뉴턴’으로부터 확보한 관측 데이터를 바탕으로, 블랙홀에서 방출되는 X선이 특정 주기로 깜박이는 양상을 포착했다. 그녀가 주목한 것은 이 깜박임이 점점 더 빨라진다는 사실이었다. “2022년에는 18분 간격으로 깜박이던 주기가 2024년에 이르러서는 7분대로 줄어들었습니다. 이를 통해 실제로 주기가 절반 이하로 감소했다는 걸 알게 됐죠”라고 매스터슨은 설명했다. 이는 지금껏 초대질량 블랙홀 주변에서 관측된 적이 없는 독특한 주기 변화였다.
연구진은 이 같은 X선 깜박임을 어떻게 해석해야 할까? 가장 가능성이 높은 시나리오는, 블랙홀 가까운 궤도를 도는 꽤 큰 ‘무언가’가 그 주변 물질과 상호 작용한 결과라는 것이다. 그런데 그 물체가 극도로 블랙홀에 근접해 있다는 점에 주목하면, 이는 자연스럽게 ‘블랙홀 주변의 밀집 물질 원반(축적원반)’과 충돌하며 X선 신호를 유발하는 그림이 떠오른다. 축적원반은 블랙홀로 빨려 들어가는 물질이 마찰열로 인해 극단적 밝기를 내는 곳으로, 이 바깥을 도는 천체가 원반을 관통하며 X선 폭발을 일으킨다는 해석이다. 깜박임 주기가 점점 짧아지는 이유는 이 가상의 천체가 중력파를 방출하면서 점차 안쪽으로 스파이럴(inspiral) 운동을 하기 때문이라고 연구진은 보고 있다. 중력파로 에너지를 소모해 블랙홀 쪽으로 서서히 접근할수록, 자전 주기가 빨라지고 그에 맞춰 X선 깜박임도 촘촘해진다는 설명이다. 매스터슨은 다음 단계로 “도대체 그 물체가 언제쯤 블랙홀에 완전히 먹혀 사라질지”를 계산했다고 한다. 단순 수치 계산에 따르면, 그 시점은 2024년 1월 무렵이었다. 그때가 되면 X선 깜박임이 완전히 멈추면서, 블랙홀과 가상의 동반체 사이에서 벌어지던 상호 작용이 종결될 것으로 예상됐다.
그런데 실제로는 그렇지 않았다. 2024년 3월 ‘XMM-뉴턴’ 망원경이 포착한 1ES 1927+654는 여전히 7분 주기의 X선 깜박임을 유지하고 있었다. 만약 이 깜박임이 블랙홀 곁을 도는 별이나 블랙홀이 일으키는 것이라면, 이미 블랙홀에 삼켜졌어야 정상이다. 더욱이 그 물체가 블랙홀이면 금세 합쳐졌을 것이고, 일반 별이라면 조석 교란으로 쉽게 찢겨나가 강렬한 폭발을 남겼을 터다. 그런데도 아직까지 안정적으로(?) 블랙홀 가장자리에서 버티고 있다는 점이 연구진을 더욱 혼란스럽게 했다. 매스터슨은 이 의문을 풀 실마리를 백색왜성(white dwarf)에서 찾았다. 태양과 비슷한 별이 생을 다하고 남은 잔해인 백색왜성은 지구 정도 크기에 밀도가 상당히 높아, 쉽사리 찢겨나가지 않는 특성이 있다. 매스터슨이 이끄는 연구팀의 시나리오에 따르면, 블랙홀 곁을 도는 이 천체가 바로 작은 질량의 백색왜성이라고 할 때, 그것은 완전히 갈가리 찢기는 대신 일부 물질만을 천천히 블랙홀에 공급하면서 동시에 중력파를 통한 궤도 붕괴를 늦추거나 뒤집을 수 있다는 것이다. “백색왜성이 질량을 아주 조금씩 블랙홀에 내어주는 방식으로 중력파 방출로 잃는 에너지를 보상할 수 있다는 게 핵심”이라고 매스터슨은 강조했다.
예일대의 천체물리학자 키아라 민가렐리 역시 이런 가설이 전혀 황당하지 않다고 말한다. 그녀는 이번 연구에 참여하지 않았지만, “만약 블랙홀 주변을 맴도는 천체가 백색왜성이라면, 별이 조금씩 찢겨나가면서 중력파를 내놓고 블랙홀 쪽으로 서서히 접근하는 일이 가능하다”고 설명했다. 보통의 항성이었다면 이미 조석 교란으로 쉽게 산산조각났을 텐데, 백색왜성은 그보다 훨씬 강인하게 버틸 수 있다는 것이다.
물론 이런 해석은 어디까지나 ‘높은 확률을 가진 추정치’일 뿐이고, 확실히 확인된 사실은 아니다. 하지만 가까운 미래에 발사될 예정인 우주 기반 중력파 관측 장비 ‘리사(LISA, Laser Interferometer Space Antenna)’가 가동된다면, 지금 제시된 가설이 진실에 얼마나 부합하는지 직접 알아낼 수 있을 것으로 보인다. 2030년대 발사를 목표로 하는 유럽우주국(ESA)의 리사는 백색왜성이 블랙홀 주변에서 내놓는 중력파를 감지할 수 있는 성능을 갖출 예정이다. 만약 예상대로 중력파 신호가 검출되면, 1ES 1927+654를 둘러싼 이번 수수께끼가 백색왜성의 존재로 설명될 가능성이 커진다. 반면 아무런 신호가 발견되지 않는다면, 이번에 포착된 전파 폭발과 거대 제트, X선 깜박임은 블랙홀과 코로나(고온 플라스마 구름)의 재형성 과정을 통해 다른 방식으로 설명되어야 할 것이다.