[사이언스] 우리 은하 중심에 있는 게 초거대질량 블랙홀이 아니라고?

[비즈한국] 우리 은하 중심에 아주 거대한 블랙홀이 숨어 있다. 이제 누구나 다 아는 상식으로 여겨진다. 초거대질량 블랙홀의 정확한 기원, 대체 어떻게 저런 거대한 블랙홀 덩어리가 은하 중심에 존재하게 되었는지에 대해선 미스터리가 남아 있지만 적어도 그 정체가 블랙홀이라는 데에는 큰 이견이 없는 것처럼 보인다. 그런데 어쩌면 그 정체가 전혀 다른 존재일지 모른다는 주장이 제기되었다. 은하 중심에 블랙홀이 아니라면 대체 무엇이 있다는 걸까?   

우리 은하 중심 블랙홀의 존재를 처음 규명한 건 천문학자 안드레아 게즈와 라인하르트 겐젤이다. 이들은 1990년대 초부터 켁 망원경으로 우리 은하 중심을 겨냥했다. 그리고 수 광년밖에 안 되는 아주 비좁은 영역 안에서 은하 중심 별들이 너무나 빠른 속도로 맴돌고 있다는 것을 발견했다. 대표적으로 S2라 불리는 별의 공전 궤도를 수십 년간 추적했는데, 그 별은 아주 빠른 속도로 크게 찌그러진 타원 궤도를 그렸다. 확실히 그 중심에 무언가 강한 중력으로 별을 붙잡아 둔 것처럼 보였다. 그런데 정작 무언가 있어야 할 자리에서 아무런 빛도 새어나오지 않았다. 겉으로 빛을 내보내지 않지만 아주 강한 중력을 품은 존재, 바로 전설 속의 블랙홀이라고 생각했다. 

우리 은하 중심부 별들이 그리는 궤도를 통해 유추한 우리 은하 중심 궁수자리 A* 블랙홀의 질량은 태양의 약 400만 배 수준이다. 별들뿐 아니라 빠르게 맴돌면서 해체되고 있는 일명 G형 가스 구름들도 관측되는데 이 역시 우리 은하 중심에 아주 무겁고 강력한 존재가 숨어 있다는 증거다. 게즈와 겐젤은 우리 은하 중심에 숨어 있던 무시무시한 괴물의 존재를 알리는 가장 직접적인 증거를 보여준 공로로 2020년 노벨 물리학상의 주인공이 되었다. 

이들이 노벨상의 주인공이 될 수 있었던 배경에는 바로 직전 사건의 지평선 망원경의 관측 성공이 있다. 지구 전역에 깔린 전파 망원경을 총 동원해서 M87 타원은하과 우리은하 중심 블랙홀의 빛의 그림자를 연이어 포착했다. 아인슈타인의 상대성 이론으로 유추한 모습 그대로였다. 이것은 은하 중심에 거대한 블랙홀이 숨어 있다는 것을 사실상 정설로 굳어지게 만든 가장 확실한 증거였다. 

그런데 유독 우리 은하 중심을 두고는 여전히 논란이 많다. 우리 은하 중심 블랙홀이 유난히 잠잠하기 때문이다. 다른 은하에서는 중심 블랙홀이 난폭한 엑스선, 감마선 빛을 뿜어내며 존재감을 과시한다. 이처럼 활동성이 강한 블랙홀에 대해서는 큰 이견이 없다. 그런데 우리 은하 블랙홀은 활동성을 전혀 보이지 않는다. 또 블랙홀 곁을 가까이 지나가는 가스 구름들이 완전히 파괴되면서 격렬한 빛의 폭발이 포착될 거라 기대했지만, 별다른 일 없이 잠잠하게 지나간 적도 있었다. 심지어 우리 은하 중심 블랙홀은 난폭했던 적이 있었는지조차 확실치 않다. 지난 몇 년 사이 몇몇 크고 작은 엑스선이 방출되는 플레어와 같은 순간이 포착되기는 했지만, 다른 더 거대한 블랙홀과 비교하면 너무 조용하고 소심해 보인다. 

그런데 최근 우리 은하 별들의 거리와 속도를 아주 정밀하게 완성한 가이아 관측 데이터에서 예상치 못한 현상이 포착되었다. 중력은 거리가 멀어지면 약해지는 힘이다. 그런데 보통 은하는 중심에서 많이 벗어나도 별의 속도가 크게 줄지 않고 평탄하게 유지되는 모습을 보인다. 그리고 이렇게 중력이 약한 은하 외곽에서까지 별의 속도가 크게 느려지지 않고 유지된다는 것은 은하 외곽까지 보이지 않는 질량이 넓게 퍼져 있음을 보여주는 것으로, 암흑물질의 가장 중요한 증거로 여겨졌다. 우리 은하에도 이런 모습이 잘 알려져 있었다. 

그런데 가이아로 더 정밀하게 관측하면서 그 상식이 흔들렸다. 2023년 천문학자들은 우리 은하 외곽의 별들이 생각보다 더 느리게 움직인다는 사실을 발견했다. 은하 중심으로부터 거리가 멀어짐에 따라 별이 맴도는 속도가 어떻게 변하는지를 보여주는 ‘속도 곡선’을 그려보면 외곽으로 가면서 쭉 평탄하게 이어지지 않고, 조금 아래로 처지는 모습을 보인다. 우리 은하의 사실상 바깥 경계라고 볼 수 있는 5만 2000광년 거리에서부터 이런 현상이 시작되는데, 은하 외곽의 별들이 원래 예상했던 것보다 30km/s나 더 느리게 움직인다. 이 당황스러운 모습은 우리 은하에 암흑물질이 생각보다 더 적거나, 분포가 전혀 다를 거라는 의심으로까지 이어졌다.

정리하자면 최근 가이아 관측으로 확인된 은하 외곽 별들의 속도 저하 문제는 우리 은하가 사실 생각했던 것만큼 무겁지도, 중력이 강하지도 않다는 것을 의미한다. 그렇다면 우리가 무엇을 오해했길래, 우리 은하를 더 강하고 묵직한 존재로 생각했던 걸까? 그리고 바로 여기에서 이번 연구는 우리 은하 중심에 너무나 당연하게 있을 거라 생각했던 블랙홀의 존재를 의심한다. 

이번 연구는 그 정체가 단순히 한 점에 질량이 뭉쳐 있는 묵직한 블랙홀이 아니라, 일명 페르미온이라고 부르는 아주 가벼운 아원자 입자들이 높은 밀도로 뭉쳐 있는 덩어리에 불과하다고 주장한다. 페르미온은 아주 가벼운 입자다. 그리고 다른 아원자 입자들과 마찬가지로 파울리 베타원리를 따른다. 같은 양자 상태에 둘 이상의 입자가 공존하지 못하고, 서로 밀어내는 힘이 발생한다. 결국 페르미온 덩어리는 흔히 말하는 특이점까지 붕괴하지 않는다. 

여기에서 천문학자들은 현재 가장 유력한 암흑 물질 구성 입자 후보로 거론하는 ‘암흑 페르미온’을 가정했다. 이들은 암흑물질처럼 중력으로 상호작용한다. 따라서 단순히 우주 공간에 흩어져 분포하지 않고, 가장 중력이 강한 은하 중심에 높은 밀도로 뭉쳐 있을 수 있다. 그래서 그 주변을 맴도는 별은 일반적인 블랙홀 곁에 있을 때와 아주 유사하게 움직이게 된다. 하지만 이 페르미온 덩어리는 실제 사건의 지평선을 가진 블랙홀은 아니기 때문에, 별과 가스 구름 자체가 찢어지고 해체되는 파괴적인 사건까지 벌어지지 않을 수 있다. 이건 우리가 지금껏 관측한 너무나 잠잠한, 하지만 분명 주변 별들을 강하게 붙잡는 우리 은하 중심 영역의 ‘무언가’의 특징과 잘 들어맞는다. 

연구는 여기에서 아주 간단한 통계적 분석을 시도했다. 우리 은하 중심에 있는 무언가의 정체를 크게 블랙홀과 페르미온 덩어리 두 경우로 가정하고, 실제 관측되는 모습을 얼마나 잘 재현하는지를 비교했다. 페르미온의 에너지 레벨은 56keV와 300keV로 두 가지로 가정했는데, 에너지가 큰 페르미온은 중심에 훨씬 더 높은 밀도로 뭉치는 경향을 보였다. 하지만 두 경우 모두 은하 중심에 블랙홀이 있을 때와 별다른 차이를 보이지 않았고, 우리은하 속 별들의 움직임을 거의 완벽하게 표현했다. 

그런데 이제 중요한 질문이 남아있다. 이제 우리에게 우리 은하 중심 초대질량 블랙홀의 존재를 믿게 하는 증거는 단순히 은하 중심 별들의 빠른 움직임, 궤도뿐이 아니다. 우린 이미 실제 사진으로 그 존재를 확인했지 않나? 바로 사건의 지평선 망원경으로 포착한 빛의 고리다. 그렇다면 블랙홀이 아닌 페르미온 덩어리로도 그 유명한 블랙홀의 초상화를 설명할 수 있을까? 

놀랍게도 이번 연구는 페르미온 덩어리도 똑같은 모습을 설명할 수 있다고 주장한다. 초고밀도의 페르미온 덩어리도 블랙홀과 마찬가지로 주변 빛을 굴절시킬 수 있고, 우리가 아는 유명한 블랙홀의 빛의 그림자의 형태를 모방할 수 있다고 말이다.

결론적으로 이번 주장을 요약하면, 우리는 우리 은하 중심에 있는 ‘무언가’의 정체가 블랙홀인지 페르미온 덩어리인지 구분할 수 없다. 블랙홀의 가장 유력한 관측적 증거로 거론되는 주변 별의 궤도, 그리고 사건의 지평선 망원경이 촬영한 빛의 그림자만으로는 페르미온 덩어리의 가능성을 배제할 수 없다. 

물론 이번 분석에는 치명적인 한계가 있다. 결국 이번 주장도 우리가 아는 두 가지 관측적 특징을 충족하는 가상의 페르미온 덩어리를 가정한 분석이기 때문에 관측 결과를 잘 설명하는 것은 당연한 일일지 모른다. 하지만 그러한 비판은 우리 은하 중심에 블랙홀이 있다는 주장에도 똑같이 적용될 수 있다. 결국 우리는 블랙홀을 직접 본 적이 없다. 단지 블랙홀이 존재한다고 가정했을 때 나타날 수 있는 현상을 다양하게 봤기 때문에, 당연히 그 중심에 블랙홀이 있을 거라고 생각하게 된 것이다. 

그렇다면 블랙홀인지 아닌지 구분할 방법은 없을까? 딱 하나 남아 있다. 블랙홀 특이점 주변에서만 벌어지는 광자 고리를 확인하는 것이다. 블랙홀 주변 강착 원반, 그리고 둥근 빛의 그림자뿐 아니라 사건의 지평선 경계 바로 앞에 그려지는 광자 고리도 함께 볼 수 있어야 한다. 블랙홀 주변 중력이 너무 강해서, 광자가 블랙홀 주변에서 휘어질 뿐 아니라 아예 부메랑처럼 출발한 방향으로 되돌아가면서 빛이 극단적으로 쌓일 수 있다. 그러면서 블랙홀 사건의 지평선 바로 주변에 작고 선명한 광자 고리가 형성되어야 한다. 그 크기는 사건의 지평선의 겨우 1.5배밖에 안 된다. 사건의 지평선 망원경 관측에서 본 ‘붉은 도넛’은 그보다 더 바깥 영역을 본 것이다. 광자 고리는 사실상 우리가 블랙홀 주변에서 실질적으로 빛을 볼 수 있는 마지막 경계나 다름없다. 

일부 천문학자들은 이미 지난 사건의 지평선 망원경 관측에서 이 광자 고리까지도 봤다고 주장하지만, 아직은 이견이 많다. 지금으로선 우리 은하 중심에 있는 존재가 정말 블랙홀인지, 아니면 다른 무언가인지 결론을 내릴 단서는 이 광자 고리뿐이다. 앞으로 더 많은 전파 망원경이 동원되고 더 강력한 사건의 지평선 망원경이 갖추어지면 결론을 내릴 수 있을지 모른다. 

의외로 ‘은하 중심에 반드시 거대한 블랙홀이 숨어 있다’라는 명제는 항상 옳은 것이 아니다. 중심에 뚜렷한 블랙홀의 징후가 보이지 않는 은하도 상당히 많다. 높게 잡으면 30% 가까운 은하들이 중심에 블랙홀 없이 그냥 자기 자신의 강한 중력만으로 별을 붙들어 놓은 것처럼 보인다. 그리고 사실 블랙홀의 질량은 은하 전체 질량에 비하면 1000분의 1도 안 되는 아주 작은 수준이다. 블랙홀 하나에 비하면 은하는 훨씬 무겁다. 그래서 우리 은하에 블랙홀이 없었다고 해도 전혀 이상할 일은 아니다. 

아직 결론을 알 수 없지만, 우리 은하 중심에 거대한 블랙홀이 없을 거라고 생각하니 왜인지 은하수가 조금은 밋밋하게 느껴지는 듯하다. 애초에 블랙홀은 눈에 보이지 않기에 블랙홀이 있건 없건 우리가 보는 은하수의 풍경은 달라지지 않았을 텐데 말이다. 

레퍼런스 

https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112?login=false

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 세종대학교 자유전공학부 조교수로 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 함께 하고 있다. ‘날마다 우주 한 조각’, ‘별이 빛나는 우주의 과학자들’, ‘갈 수 없지만 알 수 있는’, ‘우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들’ 등의 책을 썼으며, ‘진짜 우주를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서’, ‘나는 어쩌다 명왕성을 죽였나’, ‘퀀텀 라이프’, ‘코스미그래픽’ 등을 번역했다.​​​

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