초대질량블랙홀 ‘제트’ 입자 가속 미스터리 40년만에 풀렸다

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초대질량블랙홀 ‘제트’ 입자 가속 미스터리 40년만에 풀렸다
X선 편광 측정 망원경 활용해 제트 내 충격파 입자가속기 역할 규명

2022.11.28 07:00 연합뉴스

은하 중심에 있는 초대질량블랙홀 중 활동성을 보이는 것은 강력한 중력으로 주변 물질을 빨아들여 강착 원반을 형성하고 원반과 수직 방향으로 입자를 뿜어내며 ‘제트'(jet)를 형성해 밝게 빛난다. 그중에서도 제트 방향이 지구를 향하는 것은 광원이 중첩되며 더 밝게 빛나 ‘블레이자'(Blazar)라고 부른다.

하지만 제트 내 고에너지 입자가 어떻게 가속돼 밝게 빛나는지는 지난 40년간 미스터리였는데, 지난해 말 미국 항공우주국(NASA)이 이탈리아우주국(ISA)과 공동 제작해 적도 600㎞ 상공 궤도에 배치한 ‘X선 편광측정 이미지 탐사선'(IXPE)을 통해 베일을 벗게 됐다.

NASA와 과학전문 매체 등에 따르면 ‘핀란드천문학센터’의 야니스 리오다키스 박사가 이끄는 국제 연구팀은 IXPE를 활용해 블레이자의 제트가 밝은 빛을 띠게 되는 과정을 규명한 연구 결과를 과학 저널 ‘네이처'(Nature)에 발표했다.

연구팀은 지구에서 약 4억5천700만 광년 떨어진 헤르쿨레스자리에 있는 ‘마르카리안 501’ 은하의 블레이자를 관측했다.

마르카리안 501은 중앙에 자리 잡은 초대질량블랙홀의 질량이 태양의 10억 배로, 우리 은하의 초대질량블랙홀인 궁수자리 A*의 200배에 달하는 대형 타원은하다.

IXPE는 X선 편광을 측정할 수 있는 첫 우주망원경으로, 연구팀은 이를 통해 X선 빛의 전기장 방향 등 이전에는 얻을 수 없던 자료를 확보했다.

연구팀은 지난 3월 IXPE로 마르카리안 501의 블레이자를 두 차례 관측하면서 지상과 우주의 전파 및 광학, 적외선 망원경 등도 동원해 다른 빛 파장 정보도 함께 수집해 비교했다.

블레이자의 다른 빛 파장 편광 관측은 이전에도 있었지만 입자 가속원에 근접한 곳에서 방출되는 X선 편광을 관측한 것은 이번이 처음이다.

논문 공동저자인 보스턴대학 천체물리학자 앨런 마쉐르 박사는 이와 관련, “전파와 적외선, 광학 편광에 X선 편광까지 더한 것은 게임 체인저가 됐다”고 설명했다.

연구팀은 이런 과정을 통해 X선 빛이 가시광이나 전파보다 더 편광화 돼 있지만 편광의 방향은 모든 빛 파장에서 동일하고 제트 방향과 같다는 점을 확인했으며, 이론 모델과 비교를 통해 충격파가 입자를 가속하는 시나리오와 가장 부합한다는 점을 밝혀냈다.

이런 충격파는 초음속제트기가 대기에서 음속을 돌파할 때 폭발음을 만들어내는 것처럼 어떤 물체가 주변 물질의 음속보다 빠르게 움직일 때 형성되는데, 블레이자에서는 빛의 속도에 가깝게 고속으로 내뿜어지는 고에너지 입자가 주변의 느린 구름과 충돌하면서 만들어지는 것으로 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이런 충격파가 자기장을 만들고 이는 거대한 입자가속기 역할을 해 전자를 새로운 방향으로 가속하며 X선 빛을 방출하게 되는 것으로 분석했다.

리오다키스 박사는 “우리는 규명한 것은 40년 된 미스터리”라면서 “마침내 모든 퍼즐 조각을 갖게 되고 맞춰진 그림은 명확해졌다”고 했다.

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