함께 포착된 두 개의 블랙홀

역사적 발견: 두 개의 블랙홀이 함께 촬영되었습니다

2025년 10월 9일, 한 국제 연구팀은 OJ287로 알려진 블레이저 내부에서 동일한 궤도를 공유하는 두 개의 초대질량 블랙홀을 최초로 보여주는 전파 이미지를 공개했습니다. 연구팀은 이를 역사적인 발견이라 부르며, 오랫동안 지속되어 온 천문학적 수수께끼를 해결했다고 밝혔습니다. 두 밀집 전파원은 독립적인 궤도 모델이 예측한 위치에 자리 잡고 있으며, 더 작은 동반 블랙홀은 마치 물을 뿌리며 회전하는 정원 호스처럼 입자를 빛의 속도에 가깝게 분사하며 나선형 제트를 방출하는 것으로 보입니다. 이 해석과 이미지 자체는 지상 망원경과 아카이브된 우주 전파 데이터를 결합한 초장기선 전파 간섭계(VLBI)를 통해 구축되었으며, 수십 년간의 타이밍 및 OJ287의 광학 플레어 예측과 일치합니다.

역사적 발견: OJ287 내의 두 블랙홀

OJ287은 한 세기 넘게 천문학자들에게 골칫거리이자 희망이었습니다. 이 천체는 19세기의 아카이브된 사진 건판에서도 확인되었으며, 1980년대 이후로는 12년 주기로 반복되는 규칙적인 광학 폭발 양상이 쌍성 블랙홀 엔진에서 비롯된다는 주장이 제기되어 왔습니다. University of Turku와 Tata Institute 등이 주도한 그룹에 의해 수십 년간 정교화된 이 모델은 반복되는 플레어의 시기와 기하학적 구조를 예측했으며, 이번 새로운 전파 이미지는 해당 모델이 주 블랙홀과 부 블랙홀을 배치한 바로 그 위치에서 두 개의 밀집 전파원을 찾아냈습니다. 많은 연구자들에게 이번 발견은 밝기 변화가 세차 운동을 하는 단일 제트가 아닌, 서로 결합된 쌍성에서 비롯된다는 점을 공간적으로 확인해 준 최초의 직접적인 증거입니다.

역사적 발견: 두 블랙홀 — 장비 및 이미징 기술

서로의 궤도를 도는 두 개의 블랙홀을 포착하기 위해서는 현존하는 가장 날카로운 전파의 눈이 필요했습니다. 연구팀은 국제적인 지상 전파 망원경 배열과 RadioAstron (Spektr-R) 미션이 제공한 우주 기선을 결합한 초장기선 전파 간섭계(VLBI)를 사용했습니다. RadioAstron의 안테나는 한때 달까지 거리의 약 절반에 도달하여 각분해능을 획기적으로 향상시켰습니다. 이러한 지상 및 우주 결합 VLBI 데이터셋은 달 위에 놓인 동전을 식별할 수 있는 수준의 유효 분해능을 제공하며, OJ287의 밝은 핵 내부에 있는 두 밀집 전파원을 분리하는 데 필수적이었습니다. 결정적으로, 블랙홀 자체는 보이지 않으며 간섭계 맵에 나타난 전파 제트와 밀집 핫스팟을 통해 그 존재를 추론합니다. 블랙홀은 자신이 방출하는 강력한 구조를 통해서만 그 모습을 드러냅니다.

질량, 분리 거리 및 이미지가 말해주는 중력의 특성

측정된 질량과 12년의 주기를 바탕으로 추론할 때, 케플러 역학에 따른 궤도 장반경은 대략 1~2×10^4 천문 단위(약 0.05~0.1 파섹, 또는 수 광년의 수십 분의 일)입니다. 이 수치는 발표된 질량과 궤도 주기를 통해 도출된 대략적인 뉴턴식 추정치이며, 전파 이미지에서 직접 측정한 값이 아닌 물리적 규모에 대한 자릿수(order-of-magnitude) 추정치로 이해해야 합니다. 중요한 점은 이 쌍성이 천문학적 관점에서 매우 밀집되어 있으며, 지구에서 약 50억 광년 떨어진 OJ287의 거리에서 하늘에 나타나는 이들의 각분리(angular separation)가 매우 미세하다는 것입니다. 이것이 바로 이들을 분별하기 위해 우주 기선 VLBI가 필요했던 이유입니다.

OJ287은 이미 일반 상대성 이론을 시험하는 실험실로 사용되어 왔습니다. 쌍성 모델에서 예측된 충돌 플레어와 근성점 세차 운동은 상대론적 역학과 중력파를 통한 에너지 손실에 대한 간접적인 시험을 제공해 왔습니다. 이번의 새로운 직접 이미지가 그 자체로 이러한 시험들을 대체하는 것은 아니지만, 우주 공간에서 시스템의 기하학적 구조를 고정하고 관측자들에게 상대론적 궤도 운동과 변화하는 제트 방향을 실시간으로 추적할 수 있는 드문 기회를 제공합니다. 이는 강한 중력장, 시공간 세차 운동, 그리고 궤도와 강착 물리 사이의 결합을 직접 조사할 수 있는 수단이 됩니다.

제트의 거동, 모호성, 그리고 후속 연구가 중요한 이유

이 이미지가 미래의 관측과 중력파에 갖는 의미

파섹 또는 서브 파섹 규모에서 분해 가능한 초대질량 쌍성을 발견하는 것은 다중 신호 천문학(multi-messenger astronomy)에서 매우 중요한 사건입니다. OJ287과 같은 시스템은 펄서 타이밍 배열(pulsar timing arrays)이 측정하고자 하는 나노헤르츠(nanohertz) 중력파의 방출 후보입니다. 공간적으로 위치가 파악되고 모델링된 쌍성은 이러한 저주파 탐색을 위한 천체물리학적 기준점 역할을 하며, 이론가들에게 파형과 병합 시간을 예측할 수 있는 명확한 목표를 제공합니다. 더 짧은 시간 규모에서, 궤도 진행에 따른 제트 방향의 변화를 모니터링하면 제트 방출 모델, 자기적 기하학 구조, 그리고 원반과 부 블랙홀 간의 상호작용을 시험할 수 있습니다. 연구진은 이미 12년 궤도의 여러 단계에 걸쳐 부 블랙홀 제트의 예상되는 '흔들림(wagging)'을 추적할 VLBI 후속 관측을 계획하고 있습니다.

이 이미지가 오랜 질문에 답하는 방식

수십 년 동안 사람들은 주기적인 밝기 변화를 보이는 활동 은하 핵이 두 개의 블랙홀을 숨기고 있는지, 아니면 단지 복잡한 강착 및 제트 물리 현상인지 의문을 가져왔습니다. OJ287 이미지가 모든 대안 가설을 단번에 해결하는 것은 아니지만, 오랜 기간의 타이밍 예측과 일치하는 공간적 확인을 제공합니다. 이는 간접적인 시험으로는 결코 완전히 충족시킬 수 없었던 부분입니다. 연구팀은 전파 핫스팟을 독립적으로 도출된 궤도 모델과 연결함으로써 단일 블랙홀을 가정한 대안적 설명의 가용 매개변수 범위를 좁히고, 쌍성 진화, 상대론적 세차 운동 및 궤도 운동에 따른 제트 반응 연구를 위한 새로운 관측 기준점을 세웠습니다.

다음 단계 및 주목해야 할 부분

이번 주장은 복잡한 VLBI 재구성과 모델링된 궤도 위상과의 일치에 근거하고 있으므로, 이제 학계는 검증 단계로 넘어갈 것입니다. 이는 조밀한 기선 범위를 갖는 더 많은 VLBI 관측, RadioAstron 수준의 기선을 복원하는 새로운 우주 VLBI 개념, 전파 구조를 광학 및 X선 플레어와 연결하는 다파장 캠페인, 그리고 뒤틀린 구조가 정말로 회전하는 제트인지 확인하기 위한 정밀한 편광 모니터링을 의미합니다. 만약 반복된 이미징을 통해 부 블랙홀의 제트가 현재 모델이 예측하는 방식으로 휘어지는 것이 확인된다면, 이 사례는 매우 설득력 있는 수준을 넘어 반박 불가능한 사실이 될 것이며, OJ287은 우리가 가진 직접 관측된 천천히 진화하는 초대질량 쌍성 실험실에 가장 가까운 존재가 될 것입니다.

출처

• University of Turku (OJ287에 관한 보도 자료 및 연구 자료)
• The Astrophysical Journal (전파 이미징 결과를 설명하는 동료 검토 논문)
• RadioAstron / Spektr-R 미션 (데이터셋에 사용된 우주 VLBI 관측소)
• Astronomy & Astrophysics (VLBI 제트 및 편광 연구, Event Horizon Telescope 팀 논문)