[비즈한국] 우주에서 가장 무겁지만 쉽게 모습을 드러내지 않는 가장 미스터리한 존재 블랙홀. 우주에 있는 은하 대부분은 그 중심에 아주 육중한 초거대 질량 블랙홀을 품고 있다. 보통 태양 질량의 수백만에서 수십억 배에 달한다. 블랙홀 하나가 어떻게 이런 말도 안되는 무거운 질량까지 성장할 수 있는지는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 그런데 최근 블랙홀의 성장의 비밀을 두고 정말 놀라운 주장이 제기되었다. 블랙홀이 암흑 물질을 먹고 자랐을 거란 추측이다. 

흥미롭게도 이 주장은 블랙홀뿐 아니라 또 다른 현대 천문학의 커다란 난제 하나를 함께 해결해줄 수 있다. 하지만 동시에 새로운 문제를 남긴다. 현재까지 알려진 암흑 물질의 성질에 따르면 암흑 물질은 블랙홀의 먹잇감이 될 수 없기 때문이다. 과연 블랙홀은 암흑 물질을 먹고 자란 걸까? 우리가 예상했던 암흑 물질의 성질은 완전히 잘못되었을까? 천문학계에서 새롭게 떠오르는 이 뜨거운 논쟁의 중심에 바로 지난 2019년 4월 인류 역사상 최초로 모습이 포착된 블랙홀. M87 은하 중심의 초거대 질량 블랙홀이 있다. 

M87 은하 중심 블랙홀이 암흑 물질을 집어삼키며 성장했을 거란 새로운 가설이 등장했다.

#블랙홀이 암흑 물질을 먹고 자란다는 증거는? 

지구 전역의 전파 망원경을 총 동원한 ‘사건의 지평선 망원경(EHT, Event Horizon Telescope)’ 프로젝트를 통해 천문학자들은 5500만 광년 거리에 떨어진 거대 타원은하 M87 중심 블랙홀을 담았다. 물론 엄밀하게 말하면 빛조차 빠져나오지 못하는 블랙홀 자체를 본 건 아니다. 대신 그 주변을 밝게 에워싼 블랙홀의 거대한 빛의 그림자를 포착했다. 500억 km 크기의 거대하고 붉은 글레이즈드 도넛 한가운데에는 포웨히(Pōwehi)라는 별명의 블랙홀이 숨어 있다. 이것은 하와이 신화에 나오는 ‘빛으로 장식된 그 깊이를 알 수 없는 어둠의 창조물’이라는 꽤 거창한 뜻을 가진 말이다. 

최초로 블랙홀 그림자를 직접 촬영하는 데 성공한 이 역사적 관측 덕분에 천문학자들은 블랙홀의 질량을 더 정확하게 유추할 수 있었다. 당시 관측을 통해 천문학자들은 포웨히가 태양 질량의 65억 배 정도로 무겁다고 추정했다. 그런데 바로 여기서 문제가 발생한다. 새로운 관측을 통해 측정한 질량을 보면 포웨히 블랙홀이 무거워도 너무 지나치게 무겁기 때문이다. 

은하 중심의 블랙홀이 더 무겁고 중력이 강할수록 그 주변에 붙잡힌 은하 속 별들은 더 빠르게 궤도를 돈다. 그래서 은하 속 별들의 속도 분포와 은하 중심 블랙홀의 질량은 깔끔하게 비례하는 관계를 갖는다. 그런데 M87 은하 중심의 블랙홀은 이 관계를 벗어나 더 위에 놓인다. 은하 속 별들의 움직임에 비해 훨씬 무거운 블랙홀이 존재한다는 뜻이다. M87 블랙홀은 이 법칙에서 대략 태양 질량의 20억 배 정도는 더 무거운 질량을 갖고 있다. 

그렇다면 이 초과 질량은 대체 어디에서 기원한 걸까? M87 블랙홀은 대체 어디에서 먹잇감을 몰래 더 먹은 걸까? 천문학자들은 놀랍게도 생각치 못한 곳에서 이 초과 질량의 단서를 발견했다. 

M87 은하에 살고 있는 구상성단, 행성상 성운 등 다양한 천체의 움직임을 관측하면 은하 중심부터 바깥까지 전체 중력의 분포를 알 수 있다. 이를 통해 은하 중심으로부터 바깥까지 은하 속 별과 암흑 물질의 분포도 파악할 수 있다. 보통은 은하 중심부로 갈수록 중력이 더 집중되기 때문에 암흑 물질도 더 많이 모여 있게 된다. 그런데 M87은 중심에 모여 있는 암흑 물질의 양이 그 거대한 덩치에 비하면 꽤 적다. 이론적으로 예측되는 양에 비해 태양 질량 20억 배 정도의 암흑 물질이 부족하다. 바로 중심의 블랙홀이 보여주는 초과 질량과 딱 들어맞는다! 

은하 중심부에 모여 있던 태양 질량 20억 배 수준의 막대한 암흑 물질이 사라졌다. 그리고 중심의 블랙홀은 딱 그만큼 더 무거워졌다. 이 놀라운 발견을 통해 천문학자들은 M87 중심의 블랙홀이 은하 중심에 모여 있던 암흑 물질을 몰래 집어삼키며 성장했을 것이라는 가설을 제시했다. 현재 포웨히 블랙홀의 전체 질량은 태양 질량의 약 65억 배 수준이다. 이번 가설이 사실이라면 이 블랙홀은 전체 질량의 무려 3분의 1 가까이를 암흑 물질로 채우고 있다는 뜻이다. 물론 전혀 상관 없는 두 현상에서 우연히 비슷한 수치의 값이 나왔을 뿐인지도 모른다. 하지만 딱 블랙홀에서 초과된 질량이 은하 중심 암흑 물질 분포에서 부족한 것처럼 보인다는 건 흥미롭다.

#새로운 가설이 사실이라면 자동으로 해결되는 또 다른 난제

만약 블랙홀이 정말로 은하 중심의 암흑 물질을 집어삼키며 성장하는 것이 사실이라면, 90년대 이후 지금까지도 해결되지 않은 현대 천문학의 가장 끈질긴 난제 중 하나가 해결될지도 모른다. 

본격적으로 컴퓨터를 천문학에 쓰면서 천문학자들은 시뮬레이션으로 우주 진화 과정을 재현하기 시작했다. 특히 수많은 입자들끼리 중력이 작용하며 은하가 반죽되는 N체 문제를 빠르게 계산할 수 있게 되었다. 

시뮬레이션을 통해 만들어지는 은하들은 특히 중심부로 갈수록 암흑 물질이 많이 모여 있는 분포를 보인다. 이렇게 이론적으로 만들어지는 안정적인 은하들의 암흑 물질 헤일로 분포를 천문학자 세 명의 이름을 붙여서 NFW(Navarro-Frenk-White) 분포라고 부른다. 특히 NFW 분포에 따르면 은하 중심으로 갈수록 암흑 물질 분포가 빠르게 밀집되면서 뾰족하게 솟은 듯한 모습을 보인다. 그래서 중심의 밀도 분포가 초승달 끝처럼 뾰족하다고 해서 커스프(Cusp)하다고 이야기한다. 

문제는 실제 관측되는 은하들의 질량 분포가 이 이론적인 모델과 많이 다르다는 점이다. 대부분의 실제 은하들은 중심의 암흑 물질 분포가 NFW 모델만큼 뾰족하고 가파르게 밀집되지 않는다. 실제 우주의 은하들은 중심의 암흑 물질의 밀도가 완만하게 증가한다. 즉 이론적인 모델에 비해 실제 은하들은 중심부에 더 적은 암흑 물질이 모여 있다고 볼 수 있다. 이 차이는 아직까지도 해결되지 않은 대표적인 난제 중 하나다. 천문학자들은 이 난제를 ‘커스프 헤일로 문제(Cusp Halo Problem)’ 또는 ‘코어-커스프 문제(Core-Cusp Problem)’이라고 부른다. 특히 이러한 차이는 덩치가 작은 왜소은하나 나선은하에서 더욱 심해진다. (꽤 어려운 내용이라 대부분의 과학 교양서에서는 언급도 안하지만, 사실 현대 천문학에서 가장 중요한 문제 중 하나다.) 

왜 실제 은하는 이론적인 모델에 비해 중심부에 훨씬 적은 암흑 물질만 갖고 있을까? 이론적 모델이 틀리지 않았다면 은하 중심부에서 사라진 이 상당량의 암흑 물질은 대체 어디로 간 걸까? 

이번 가설은 이 암흑 물질을 사라지게 한 범인이 은하 중심의 블랙홀일 가능성을 이야기한다. M87 은하 중심부는 이론적 모델에 비해 태양 질량의 20억 배 정도의 암흑 물질이 부족하다. 그리고 중심의 블랙홀은 모델에 비해 딱 그만큼 더 무겁다. 즉 은하 중심부의 암흑 물질을 집어삼켜서 블랙홀이 딱 그만큼 더 무겁게 성장했다는 의심을 해볼 수 있다. 오랫동안 해결되지 않고 남아 있는 난제 ‘커스프 헤일로 문제’의 범인이 바로 각 은하 중심에 살고 있는 초거대 질량 블랙홀일 수 있다는 것이다. 우주에 있는 대부분의 은하들이 보여주는 중심부의 암흑 물질 부족 현상이 정말 중심에 살고 있는 블랙홀의 암흑 물질 먹방 때문이었을까? 

#암흑 물질은 정말 블랙홀의 먹잇감이 될 수 있을까

블랙홀이 암흑 물질을 집어삼키며 성장한다는 이번 논문의 주장은 흥미롭다. 지나치게 육중한 초거대 질량 블랙홀의 성장 배경뿐 아니라 은하 중심에서 사라진 부족한 암흑 물질의 오래된 난제까지 해결해줄 수 있다. 하지만 이 새로운 가설을 선뜻 받아들이기 어려운 중요한 문턱이 있다. 현재까지 알려진 암흑 물질의 성질에 따르면, 암흑 물질은 블랙홀의 먹잇감이 될 수 없기 때문이다. 

블랙홀은 강한 중력으로 많은 물질을 끌어당긴다. 블랙홀에 붙잡힌 가스 물질은 아주 빠른 속도로 그 곁을 맴돌며 달궈진다. 이렇게 뜨겁게 달궈진 블랙홀 주변의 물질 원반을 강착 원반이라고 부른다. 그런데 원반 속 가스 입자들은 서로 빠르게 충돌한다. 아주 높은 밀도와 뜨거운 온도로 인해 강착 원반 속의 가스 입자들은 아주 빠르게 움직이고 그만큼 충돌도 빈번하게 벌어진다. 그런데 바로 이 입자들끼리의 충돌이 아주 중요한 역할을 한다. 

당구대 위에서 공 두 개가 부딪치는 상황을 생각해보자. 공이 부딪히면 곧바로 다른 공에 에너지가 전달된다. 에너지를 얻은 공은 빠르게 튕겨 날아가지만, 에너지를 잃어버린 공은 곧바로 멈춰버린다. 이처럼 가스 입자들이 서로 충돌하면 일부는 에너지를 얻어 더 빠르게 움직이게 되지만, 또 다른 일부 입자들은 오히려 에너지를 빼앗기고 속도가 크게 줄어든다. 입자의 속도가 느려지면 블랙홀의 강한 중력을 버티면서 궤도를 유지할 수 없다. 그대로 블랙홀 중력에 이끌려 블랙홀 속으로 빨려들어간다. 덕분에 블랙홀은 주변 강착 원반에서 꾸준히 물질을 빨아들일 수 있다. 

만약 가스 입자들끼리 서로 에너지를 빼앗고 잃어버리는 충돌이 벌어지지 않는다면, 가스 입자는 계속 에너지를 잃지 않고 그대로 유지할 수 있다. 그리고 가스 입자들은 블랙홀 주변 강착 원반에 머무르며 원래 돌던 궤도를 계속 유지할 수 있다. 결국 가스 입자들 사이에서 충돌이 벌어지기 때문에, 다시 말해서 가스 입자들은 서로 부딪히고 충돌할 수 있는 존재들이기 때문에 서서히 블랙홀 속으로 빨려들어가며 더 무겁게 살찌우는 블랙홀의 먹잇감이 될 수 있는 셈이다. 

그런데 암흑 물질은 다른 입자들과 충돌하지 않을 거라 알려져 있다. 암흑 물질은 오로지 중력에만 반응한다. 서로 부딪치더라도 그 어떤 열도 에너지도 주고받지 않은 채 그대로 통과해 지나가버린다. 암흑 물질이 서로 충돌하지 않고 그대로 관통하고 지나갈 수 있다는 걸 가장 잘 보여주는 곳이 있다. 두 개의 거대한 은하단이 충돌하고 있는 총알 은하단이다. 총알 은하단의 뜨거운 가스 물질과 암흑 물질의 분포를 그려보면 크게 어긋나있다. 가스 물질은 서로 충돌을 할 수 있는 입자들이기 때문에 충돌 현장 한가운데에 찐득하게 쌓일 수 있다. 하지만 암흑 물질은 서로 충돌하지 않고 그대로 뚫고 건너편으로 넘어갔다. 그래서 총알 은하단의 가스 물질은 중심에 높은 밀도로 반죽되어있지만 암흑 물질은 양 옆에 동떨어져 있게 된 것이다. 

이처럼 암흑 물질은 서로 충돌하지 않는, 즉 부딪치더라도 에너지를 주고받지 않는다고 알려져 있다. 그래서 블랙홀 주변 원반에 암흑 물질들이 맴돌고 있다고 하더라도 전혀 에너지를 잃지 않고 계속 궤도를 유지할 수 있어야 한다. 아주 정확하게 애초부터 블랙홀을 향해 정면으로 떨어지는 궤도를 그리지 않는 한, 안정적인 궤도를 그리던 암흑 물질이 갑자기 에너지를 잃고 블랙홀의 먹잇감이 되어 잡아먹히는 건 생각하기 어렵다. 

실제로 최근까지 많은 천문학자들은 아무리 많아 봤자 초거대 질량 블랙홀 전체 질량에서 암흑 물질이 차지하는 비중은 10%도 안될 거라 생각한다. 우주 전체 질량에서 암흑 물질이 차지하는 비중이 약 80%인 것을 생각해보면, 블랙홀은 그 흔한 암흑 물질을 거의 먹지 않을 거란 이야기가 된다. 블랙홀에게 암흑 물질이 얼마나 맛없는 먹잇감일지 생각해볼 수 있다. 

그런데 이번 논문에서는 지나칠 정도로 무거운 M87 은하 중심의 블랙홀이 암흑 물질을 마구 집어삼키며 벌크업을 했을 거라는 새로운 가설을 던진다. 게다가 블랙홀 전체 질량의 무려 3분의 1이 암흑 물질일 거라 이야기한다. 바로 그렇기 때문에 이번 가설이 흥미로우면서도 한편으로는 고개가 갸우뚱해진다. 

과연 블랙홀은 우리가 익히 알고 있듯이 암흑 물질은 거의 먹지 않는 편식쟁이일까? 아니면 우리 예상과 달리 암흑 물질로 벌크업 된 존재였을까? 천문학에 컴퓨터가 등장한 이래로 지금까지 쭉 이어지는 가장 끈질긴 난제가 과연 블랙홀의 암흑 물질 먹방을 통해 해결될 수 있을까? 2019년 인류가 처음으로 블랙홀의 민낯을 포착했던 순간은 어쩌면 새로운 블랙홀 전쟁의 서막을 알리는 순간이었을지도 모르겠다. 

참고

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac54b9/meta

https://academic.oup.com/mnras/article/470/2/1542/3858014 

https://aasnova.org/2019/09/11/constraining-collisions-of-dark-matter/

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab1eb2

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/793/1/46

https://news.uchicago.edu/story/black-hole-collisions-could-help-us-measure-how-fast-universe-expanding

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com

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