구상성단에서 발견한 작은 블랙홀 밀집 지역

블랙홀이라고 하면 빛조차도 달아나지 못할 만한 강력한 중력으로 흥미로운 천체다. 우주에 흩어져 있는 대다수 은하 중심에는 초대 질량 블랙홀이 존재한다고 여겨지고 있으며 이곳이 어떤 세계인지는 상상하기 어렵다. 반면 작은 블랙홀이라는 건 우주에 많이 존재하고 있다.

NGC 6397이라는 구상성단을 관측한 천문학자들은 성단 중심에 예기치 않았던 작은 블랙홀 밀집 지대를 발견했다. NGC 6397은 지구로부터 거리가 7,800광년이라는 구상성단에서 꽤 가까운 성단으로 별 40만 개가 중심 부근에선 조밀하게 존재하고 있기 때문에 핵 붕괴 과정에 있을 수 있다.

학자들은 처음에는 이 성단 중심에는 중간 질량 블랙홀이 존재한다고 생각했다. 이유는 블랙홀은 초대형 질량 블랙홀 외에 이게 붕괴한 뒤에 있는 항성 질량 블랙홀 존재가 확인되고 있지만 그동안의 질량을 지닌 중간 질량 블랙홀은 대부분 발견되지 않고 NGC 6397과 같은 구상성단이 핵 붕괴 후 항성 질량 블랙홀이 주위 가스와 먼지를 모아 형성될 가능성이 의심됐다.

그런데 NGC 6397 중심부에 있다고 보여진 블랙홀이 나타낸 질량을 자세하게 관찰하면 포인트가 아니라 클러스터 형태로 성단 크기 몇 퍼센트 정도 범위까지 퍼져 있는 지 알 수 있었다. 파리천체물리학연구소 IAP 연구자는 이 결과에 놀라움을 나타내고 과거 허블우주망원경에 의한 데이터를 검토하고 성단 별이 움직이는 속도를 이용해 크고 작은 별이나 블랙홀 뿐 아니라 전체 질량 분포를 산출해봤다.

그 결과 성단에서 별 움직임은 전체가 랜덤에 가까운 움직임을 보이며 원형이나 긴 타원형 궤도가 아닌 것으로 나타났다. 또 눈에 보이지 않는 질량 성분은 분포상 백색왜성과 중성자별, 블랙홀이 붕괴된 잔해로밖에 생각하기 어렵다. 이 정도 질량을 가진 별 시체는 근처에 있는 그리 무겁지 않은 별 중력 상호 작용 후 성단 중심을 향해 서서허 모여 있다. 한편 질량이 낮은 별은 성단 외주부로 이동하고 있다.

연구팀은 항성 진화 관점에서 발견된 보이지 않은 질량 대부분을 블랙홀로 간주하고 있다. 최근 다른 연구에서도 구상성단 내부 공간에 별 잔해에서 발생한 항성 질량 블랙홀이 존재할 가능성이 있다고 보고되고 있다.

이번 발견은 블랙홀과 주변 환경이 만들어내는 현상에 대한 이해를 높이게 될지도 모른다. 이런 블랙홀 밀집 지역이 중력파의 주요 원인이 되고 있을 가능성도 생각해볼 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.