블랙홀은 왜 반짝거리는가?

블랙홀은 천문학자들의 기준에서도 기괴한 존재입니다. 그들의 질량은 너무 커서 주위의 공간을 너무 꽉 구부려 빛 자체조차 빠져나올 수 없습니다.

그러나 그 유명한 암흑에도 불구하고 일부 블랙홀은 꽤 눈에 띕니다. 이러한 은하 진공이 삼키는 가스와 별은 구멍으로 단방향 여행을 하기 전에 빛나는 원반으로 빨려 들어가고, 이 원반은 전체 은하보다 더 밝게 빛날 수 있습니다.

더 이상한 것은 이 블랙홀이 반짝인다는 것입니다. 빛나는 원반의 밝기는 날마다 달라질 수 있으며 그 이유를 완전히 아는 사람은 아무도 없습니다.

우리는 이러한 반짝임이 발생하는 이유를 이해하기 위해 5년 동안 하늘에서 가장 빠르게 성장하는 블랙홀 5,000개 이상을 관찰하려는 NASA의 소행성 방어 노력에 편승했습니다. 2023년 2월 2일 네이처 천문학지에 발표된 논문에서 우리는 답을 보고했습니다. 이는 마찰과 강렬한 중력 및 자기장에 의해 발생하는 일종의 난류입니다.


블랙홀은 거대한 별을 먹는 존재이다

우리는 은하의 중심에 위치하며 태양의 수백만 또는 수십억 개에 해당하는 거대질량 블랙홀을 연구합니다.

우리 은하인 은하수는 중심에 태양의 질량이 약 400만 개에 달하는 거대 은하 중 하나를 갖고 있습니다. 대부분의 경우, 나머지 은하계(태양 포함)를 구성하는 2천억 개 정도의 별들은 중심에 있는 블랙홀 주위를 행복하게 공전합니다.

그러나 모든 은하계의 상황이 그리 평화롭지는 않습니다. 한 쌍의 은하가 중력을 통해 서로 끌어당길 때 많은 별이 은하의 블랙홀에 너무 가깝게 끌어당겨질 수 있습니다. 이것은 별들에게 좋지 않은 결과를 가져옵니다. 그들은 찢겨지고 삼켜집니다.

우리는 이것이 태양의 10억배에 달하는 블랙홀이 있는 은하에서 일어났음에 틀림없다고 확신합니다. 왜냐하면 블랙홀이 어떻게 그렇게 커질 수 있었는지 상상할 수 없기 때문입니다. 과거에 은하수에서도 그런 일이 일어났을 수도 있습니다.

블랙홀은 또한 더 느리고 더 온화한 방식으로 먹이를 공급할 수 있습니다. 즉, 적색 거성으로 알려진 노인성에서 분출된 가스 구름을 빨아들이는 것입니다.

블랙홀 먹이주기 시간

우리 연구에서는 우주에서 가장 빠르게 성장하는 블랙홀 5,000개의 먹이 공급 과정을 면밀히 살펴보았습니다.

이전 연구에서 우리는 식욕이 가장 왕성한 블랙홀을 발견했습니다. 2022년, 우리는 매초 지구에 해당하는 물질을 먹어치우는 블랙홀을 발견했습니다. 2018년에 우리는 48시간마다 태양 전체를 먹어치우는 또 다른 블랙홀을 발견했습니다.

하지만 실제 먹이 행동에 대해서는 많은 질문이 있습니다. 우리는 구멍으로 들어가는 물질이 은하 전체를 밝게 비출 만큼 충분히 밝을 수 있는 빛나는 ‘강착 원반’으로 나선형으로 들어가는 것을 알고 있습니다. 이러한 눈에 띄게 먹이를 주는 블랙홀을 퀘이사라고 합니다.

이 블랙홀의 대부분은 아주 멀리 떨어져 있습니다. 우리가 디스크의 세부 사항을 볼 수 없을 정도로 너무 멀리 떨어져 있습니다. 우리는 근처 블랙홀 주변에 강착원반의 이미지를 가지고 있지만, 그들은 별을 먹기보다는 단지 우주 가스를 흡입하고 있을 뿐입니다.

깜박이는 블랙홀의 5년

최근 작업에서는 하와이에 있는 NASA 아틀라스 망원경의 데이터를 사용했습니다. 매일 밤(날씨가 허락하는 한) 하늘 전체를 스캔하여 외부 어둠 속에서 지구에 접근하는 소행성을 모니터링합니다.

이러한 전체 하늘 스캔은 또한 배경 깊은 곳에 있는 굶주린 블랙홀의 빛에 대한 야간 기록을 제공합니다. 우리 팀은 각 블랙홀에 대한 5년간의 영화를 구성하여 강착 원반의 부글부글 끓고 끓어오르는 소용돌이로 인한 밝기의 매일 변화를 보여줍니다.

이 블랙홀의 반짝임은 우리에게 강착원반에 대해 뭔가를 말해 줄 수 있습니다.

1998년에 천체물리학자인 스티븐 발버스와 존 홀리는 자기장이 어떻게 디스크에 난류를 일으킬 수 있는지 설명하는 ‘자기 회전 불안정성’ 이론을 제안했습니다. 그것이 올바른 생각이라면 디스크는 규칙적인 패턴으로 지글지글 소리를 내야 합니다. 그들은 원반이 궤도를 돌면서 펼쳐지는 무작위 패턴으로 반짝일 것입니다. 더 큰 원반은 느린 반짝임으로 더 느리게 궤도를 도는 반면, 더 작은 원반의 더 조밀하고 빠른 궤도는 더 빠르게 반짝입니다.

하지만 현실 세계의 디스크가 더 이상 복잡하지 않고 이렇게 단순하다는 것을 증명할 수 있을까요? (공간 자체가 한계점까지 구부러지는 강렬한 중력 및 자기장에 내재된 극도로 조밀하고 통제할 수 없는 환경에서 난류에 대해 ‘단순’이라는 단어가 올바른 단어인지 여부는 아마도 별도의 질문일 것입니다.)

통계적 방법을 사용하여 우리는 5,000개의 디스크에서 방출되는 빛이 시간이 지남에 따라 얼마나 깜박이는지 측정했습니다. 각각의 깜박임 패턴은 다소 다르게 보였습니다.

하지만 크기, 밝기, 색상별로 분류하자 흥미로운 패턴이 보이기 시작했습니다. 우리는 각 디스크의 궤도 속도를 확인할 수 있었고 일단 시계가 디스크 속도에 맞춰 작동하도록 설정하면 깜박이는 모든 패턴이 동일하게 보이기 시작했습니다.

이러한 보편적인 행동은 실제로 ‘자기 회전 불안정성’ 이론에 의해 예측됩니다. 그게 위로가 됐어요. 이는 이러한 놀라운 소용돌이가 결국 ‘단순’하다는 것을 의미합니다.

그리고 그것은 새로운 가능성을 열어줍니다. 우리는 강착 원반 사이에 남아 있는 미묘한 차이가 서로 다른 방향에서 보고 있기 때문에 발생한다고 생각합니다.

다음 단계는 이러한 미묘한 차이를 더 자세히 조사하고 블랙홀의 방향을 식별할 수 있는 단서를 갖고 있는지 확인하는 것이고 그리하여 결국, 블랙홀에 대한 우리의 미래 측정은 더욱 정확해질 수 있을 것입니다.


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