18년 관측 끝에 얻은 숫자 하나

천문학자들이 블랙홀에서 분출되는 제트(jet)의 순간 출력을 세계 최초로 직접 측정하는 데 성공했다. 호주 커틴 대학교(Curtin University) 연구팀이 《네이처 천문학(Nature Astronomy)》에 발표한 이번 연구는, 지구 규모로 연결된 전파망원경 배열을 이용해 블랙홀 쌍성계 '백조자리 X-1(Cygnus X-1)'의 제트가 태양 1만 개에 해당하는 에너지를 방출하고 있음을 확인했다. 또한 제트의 속도가 광속의 절반, 초당 약 15만 킬로미터에 달한다는 사실도 처음으로 관측적으로 입증했다.

왜 이 측정이 중요한가

블랙홀 제트는 수십 년 동안 천문학의 '미지의 영역'이었다. 제트가 존재한다는 사실은 알려져 있었지만, 그 출력을 직접 재는 방법이 없었다. 연구팀이 채택한 접근법은 역설적으로 단순하다. 백조자리 X-1은 블랙홀과 초거성(supergiant star)이 쌍을 이룬 시스템으로, 초거성의 강력한 항성풍이 제트를 마치 분수를 강바람이 흔들듯 구부러뜨린다. 연구팀은 항성풍의 세기를 알고 있었기 때문에, 제트가 얼마나 휘었는지를 측정하면 역으로 제트의 출력을 계산할 수 있었다.

이 방법으로 얻어낸 수치는 단순한 물리량이 아니다. 블랙홀로 유입되는 물질(강착) 에너지의 약 10%가 제트를 통해 바깥으로 빠져나간다는 오랜 가설이 있었는데, 이번 연구는 이를 처음으로 직접 관측을 통해 확인했다. 나머지 90%는 블랙홀 주변 원반에서 복사(radiation) 형태로 방출되거나 블랙홀 자체에 흡수된다고 추정된다.

이 흐름은 언제부터였나

블랙홀 연구의 역사는 관측 불가능한 대상을 간접적으로 증명해온 과정이었다. 1972년 백조자리 X-1이 최초의 블랙홀 유력 후보로 지목된 이후, 과학자들은 X선 이진계(X-ray binary) 관측을 통해 블랙홀의 질량과 스핀을 추정해왔다. 제트의 존재는 1970~80년대 전파망원경 관측을 통해 확인되었고, 이후 허블 우주망원경과 찬드라 X선 관측위성 등이 더 먼 거리의 제트를 포착했다.

그러나 제트의 '힘'을 재는 문제는 별도였다. 은하 규모에서 활동성 은하핵(AGN)의 제트가 주변 가스를 수백만 광년 밖으로 밀어내 별 생성을 억제한다는 '피드백(feedback)' 이론은 1990년대부터 우주 진화 모델의 핵심으로 자리잡았다. 문제는 이 피드백 효율이 얼마나 되는지 수치로 검증된 적이 없었다는 점이다. 시뮬레이션 모델들은 서로 다른 가정을 채택하며 수십 년간 논쟁을 이어왔다.

커틴 대학교 전파천문학연구소(CIRA)와 국제전파천문학연구센터(ICRAR)가 주도하고 옥스퍼드 대학교가 협력한 이번 연구는, 18년치 전파망원경 관측 데이터를 축적한 끝에 가능했다. 수석 저자인 스티브 프라부(Steve Prabu) 박사는 제트가 항성풍에 반복적으로 다른 방향으로 꺾이는 모습을 '춤추는 제트(dancing jets)'라고 표현했다.

앞으로의 전망 [AI 분석]

이번 연구가 갖는 의미는 백조자리 X-1이라는 개별 시스템을 넘어선다. 같은 방법론을 다른 블랙홀 쌍성계에 적용하면, 제트 출력과 강착률의 관계를 통계적으로 확인할 수 있을 가능성이 높다. 나아가 은하 중심에 자리한 초거대 질량 블랙홀(SMBH)의 제트 피드백 효율을 추산하는 데도 이 기준값이 활용될 가능성이 있다.

스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 등 차세대 전파망원경이 가동되면, 더 먼 거리와 더 짧은 시간 단위에서 제트의 역학을 포착할 수 있을 것으로 전망된다. 이는 우주 초기 블랙홀이 은하 형성에 개입했던 방식을 해석하는 모델을 대폭 정밀화할 수 있음을 의미한다. 다만 '10% 효율'이 모든 블랙홀에 보편적으로 적용되는지, 아니면 질량·스핀·환경에 따라 달라지는지는 추가 관측이 필요하다는 평가가 지배적이다.