빠르게 물질을 흡수하는 블랙홀, 중요한 내부 경계 드러내
약 4억 2천만 광년 떨어진 초대질량 블랙홀이 강력한 제트를 내뿜는 것은 블랙홀로 떨어지는 물질의 형태와 온도 변화에 따른 것일 수 있다. 3C 120 은하를 관측한 결과, 비교적 차갑고 납작한 원반이 블랙홀에 이르기 전에 끝나고, 그 안쪽 영역은 훨씬 더 뜨거운 플라스마로 채워져 강한 자기장이 모일 수 있는 것으로 나타났다.
목차
도호쿠대 노다 히로후미 부교수와 나고야시립대 하다 가즈히로 부교수가 이끄는 연구팀은 일본의 X선 영상·분광 임무인 XRISM 관측 자료와 국제 전파망원경 네트워크 3곳의 측정 결과를 결합했다. 이를 통해 블랙홀로 유입되는 물질의 구조와 블랙홀 가까이에서 뻗어 나오는 좁은 제트를 연결해 살펴봤다.
2026년 10월 19일 《천체물리학 저널 레터스》에 발표된 이번 연구는 한 가지 수수께끼를 다룬다. 블랙홀은 어떻게 물질을 빠르게 흡수하면서 동시에 거의 빛의 속도로 움직이는 강력한 플라스마 흐름을 내보낼 수 있을까? 빠르게 물질을 흡수할 때 형성되는 것으로 여겨지는 원반은 제트 생성에 필요한 자기장을 모으기에는 적합하지 않다고 알려져 왔다.
도호쿠대가 10월 20일 공개한 연구 발표는 가능한 해답을 제시한다. 바깥쪽의 차가운 원반은 안쪽의 뜨거운 흐름으로 바뀌며, 이 과정에서 자기장이 블랙홀의 회전 에너지를 끌어내 제트로 전달할 수 있는 환경이 만들어진다는 것이다.
3C 120이 수수께끼인 이유
3C 120은 황소자리 방향에 있다. 중심 블랙홀의 질량은 태양 약 6천만 개에 해당하며, 주변 물질을 빠르게 흡수하는 동시에 강력한 제트를 내뿜는다. 물질 흡수와 제트 생성이 어떻게 맞물리는지 연구하기에 유용한 대상이다.
블랙홀에 접근하는 물질은 대개 옆 방향으로 움직이는 성분을 지니고 있어 곧장 떨어지는 대신 안쪽을 향해 돌게 된다. 물질은 강착원반을 이루며, 마찰 등 여러 과정으로 뜨거워져 빛과 다른 복사를 방출한다. 천문학자들은 이 복사를 연구해 직접 들여다볼 수 없는 영역을 파악한다.
물질을 빠르게 흡수하면 일반적으로 블랙홀 가까이까지 뻗어 있는, 비교적 차갑고 기하학적으로 얇은 원반이 형성되는 것으로 여겨진다. 여기서 차갑다는 것은 중심부에 더 가까운 훨씬 뜨거운 플라스마와 비교한 표현이다. 얇은 원반은 너비에 비해 수직 두께가 작아 납작한 판과 비슷하다.
문제는 자기장이다. 강력한 제트를 설명하는 유력한 이론은 회전하는 블랙홀 주변에 강한 자기장이 있어야 한다고 본다. 얇은 원반은 필요한 자기장 구조를 유지하기 어렵다고 여겨진다. 더 뜨겁고 두꺼운 내부 흐름은 자기장 형성에 유리한 환경을 제공하므로, 원반의 형태가 바뀌는 위치가 이번 연구의 핵심이 됐다.
XRISM, 철을 통해 원반을 읽다
일본 우주항공연구개발기구의 임무인 XRISM은 3C 120의 블랙홀 주변 물질에서 방출되는 철의 X선을 포착했다. 철은 특정 에너지에서 복사를 내며, X선 스펙트럼에 방출선이라는 식별 가능한 특징을 만든다. 스펙트럼은 복사를 에너지에 따라 구분해 보여준다.
블랙홀 가까이에서는 철선의 형태가 달라진다. 관측자 쪽으로 다가오거나 멀어지는 물질은 관측되는 복사의 에너지를 변화시킨다. 블랙홀 주변의 강한 중력도 빠져나오는 X선의 에너지를 바꾼다. 이 두 효과가 합쳐져 철선이 퍼지고 왜곡된다.
연구진은 이 왜곡을 이용해 비교적 차가운 원반이 안쪽으로 얼마나 뻗어 있는지 추정했다. 대학 측은 원반의 안쪽 경계가 블랙홀 반지름의 약 20배 지점에 있다고 설명했다. 논문은 이 경계를 블랙홀 질량을 기준으로 한 거리 척도인 중력반경 약 20배로 표현한다.
연구팀은 이 경계 안쪽에서 뜨겁고 기하학적으로 두꺼운 흐름으로 바뀐다고 추론했다. 이곳의 플라스마 온도는 수억 도에 이를 것으로 여겨진다. 플라스마는 전자가 원자에서 분리된 기체로, 자기장과 강하게 상호작용할 수 있다.
전파망원경으로 안쪽을 향하는 제트를 추적하다
비슷한 시기에 이뤄진 전파 관측은 그림의 나머지 절반을 채웠다. 연구팀은 글로벌 밀리미터 VLBI 배열, 초장기선 배열, 동아시아 VLBI 네트워크를 활용해 제트가 블랙홀을 향해 좁아지는 모습을 추적했다.
이들 네트워크는 초장기선 간섭계(VLBI)를 이용해 서로 멀리 떨어진 망원경의 측정 결과를 결합한다. 이 방법을 이용하면 단일 전파망원경으로는 분해할 수 없는 훨씬 세밀한 구조를 천문학자들이 구별할 수 있다. 이번 연구에서는 제트의 시작점을 향해 추적하는 데 도움이 됐다.
연구진은 제트의 형태를 바탕으로 제트 기저부의 반지름이 블랙홀 반지름의 약 10배를 넘지 않는다고 추정했다. X선 측정으로 확인한 뜨거운 내부 흐름 안쪽, 블랙홀 가까이에서 제트가 시작된다는 것이 두 관측을 종합한 해석이다.
연구를 공동으로 이끈 도호쿠대 노다 부교수는 관측을 결합한 이유를 다음과 같이 설명했다.
최첨단 X선·전파망원경으로 같은 블랙홀을 관측해 블랙홀을 둘러싼 뜨거운 플라스마와 그곳에서 뻗어 나오는 제트를 모두 볼 수 있었습니다. 이를 통해 블랙홀 주변의 극한 환경과 제트 형성을 직접 연결할 수 있습니다.
회전 에너지가 제트에 동력을 공급하는 방식
연구팀이 제안한 설명은 회전하는 블랙홀, 유입되는 뜨거운 플라스마의 흐름, 강한 자기장이라는 세 가지 요소를 연결한다. 바깥쪽의 차가운 원반이 물질을 공급한다. 블랙홀에 가까워질수록 더 뜨겁고 두꺼운 흐름이 형성돼 자기장이 더 쉽게 모일 수 있는 영역을 제공한다.
이 자기장은 블랙홀의 회전 에너지 일부를 끌어내 좁은 플라스마 흐름에 전달할 수 있다. 이 과정을 설명하는 유력한 이론은 블랜드퍼드-즈나예크 메커니즘이라고 한다. 쉽게 말해 자기장이 블랙홀 주변의 회전하는 환경과 바깥쪽으로 가속되는 물질을 연결한다.
따라서 제트에는 블랙홀 주변에서 동력이 공급되는 동시에, 다른 물질은 안쪽으로 계속 떨어진다. 이 체계에는 안쪽으로 유입되는 물질과 바깥쪽으로 흘러 주변 은하에 에너지를 전달하는 흐름, 두 가지 움직임이 맞물려 있다.
연구진은 3C 120에서 바깥쪽의 얇은 원반이 안쪽의 두꺼운 흐름으로 바뀌기 때문에 두 움직임이 양립할 수 있다고 제안한다. 정확한 자기장 구조와 회전 에너지가 제트로 전달되는 방식은 추가 연구가 필요한 주제다.
구조 변화가 관측 결과를 하나로 잇다
논문 제목인 “강착률이 높은 초대질량 블랙홀에서 원반 절단이 상대론적 제트 발사를 촉발한다”는 제안된 연관성을 담고 있다. 원반 절단은 차갑고 얇은 원반 부분이 블랙홀에 닿기 전에 끝난다는 뜻이다. 상대론적이라는 말은 아인슈타인의 상대성 이론을 고려해야 이해할 수 있을 만큼 빠른 운동을 가리킨다.
X선 측정은 차가운 원반의 안쪽 경계를 파악한다. 전파 측정은 제트가 그 경계 안쪽 영역에서 시작되는 모습을 추적한다. 두 관측을 함께 살펴보면 빠르게 물질을 흡수하는 체계가 강력한 제트에 유리한 조건을 어떻게 유지하는지 공간적으로 설명할 수 있다.
이는 같은 천체 주변에서 원반과 제트를 단순히 발견한 것보다 구체적인 결과다. 원반의 구조 변화와 제트가 시작되는 위치를 연결해 유입되는 물질과 바깥으로 나가는 물질을 하나의 물리적 그림으로 보여준다.
3C 120은 물질을 비교적 빠르게 흡수하기 때문에 특히 유용한 연구 대상이다. 이번 연구는 뜨겁고 두꺼운 흐름이 제트 생성의 자기장 설명을 뒷받침해 온 M87 같은, 물질 흡수가 더 약한 활동은하와 비교한다. 이번 결과는 다른 물질 흡수 환경으로 연구 범위를 넓힌다.
한 은하를 넘어 이번 결과가 중요한 이유
제트는 초대질량 블랙홀 주변에서 에너지를 멀리 실어 나른다. 은하 안팎의 기체와 상호작용하면서 별이 형성되는 조건을 바꿀 수 있다. 따라서 블랙홀 가까이에서 작동하는 엔진을 이해하면 훨씬 큰 규모에서 일어나는 변화도 연구할 수 있다.
3C 120 연구 결과는 이 두 규모를 구체적으로 연결한다. 유입되는 물질의 구조가 강력한 제트의 형성 여부를 좌우할 수 있다는 것이다. 블랙홀 가까이에 있는 경계가 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳으로 에너지가 전달되는 방식에도 영향을 줄 수 있다.
연구팀은 XRISM과 전 세계 전파 관측소를 이용해 더 질량이 큰 블랙홀을 대상으로 공동 관측을 진행하고 있다. 연구진은 제안된 구조가 물질과 자기장의 움직임을 얼마나 잘 설명하는지 검증하기 위해 측정 결과를 이론 모형 및 컴퓨터 시뮬레이션과 비교할 계획이다.
노다 부교수는 다음 단계의 목적을 이렇게 설명했다.
다음 목표는 이러한 극한 환경에서 물질, 자기장, 블랙홀의 회전이 어떻게 상호작용하는지 더 완전한 그림을 만드는 것입니다. 이 과정을 이해하면 초대질량 블랙홀이 은하와 더 큰 우주 구조의 진화에 미치는 영향도 더 잘 파악할 수 있습니다.
논문 발표와 후속 관측
이번 연구에는 일본의 X선 임무와 여러 지역에 걸친 전파망원경 네트워크가 함께 참여했다. 두 관측의 상호 보완적 측정은 연구 방법의 핵심이다. X선은 강착 흐름의 상태를 보여주고 전파 관측은 제트의 구조를 추적한다.
논문 발표와 후속 연구 계획은 다음과 같다.
- 2026년 10월 19일: 노다와 하다가 이끈 연구가 《천체물리학 저널 레터스》에 발표됐다.
- 2026년 10월 20일: 도호쿠대가 연구 결과를 발표하고 X선·전파 관측을 결합한 내용을 소개했다.
- 다음 단계: 연구팀은 더 질량이 큰 블랙홀을 공동 관측하고 결과를 모형 및 시뮬레이션과 비교하고 있다.
논문의 DOI는 10.3847/2041-8213/aeaa2c이다. 이 논문 정보는 공식 연구 발표에도 나와 있다. 같은 관측 방법을 다른 블랙홀에 적용하면 3C 120에서 발견된 구조 변화가 다른 체계에서도 나타나는지 살펴볼 수 있다.
핵심 내용
- XRISM과 전파망원경 네트워크 3곳이 약 4억 2천만 광년 떨어진 3C 120을 관측했다.
- 이 은하의 블랙홀은 태양 약 6천만 개의 질량을 지녔으며, 물질을 빠르게 흡수하면서 강력한 제트를 내뿜는다.
- X선 측정 결과, 차갑고 얇은 원반은 블랙홀에 닿기 전에 끝나고 훨씬 뜨거운 내부 흐름으로 이어지는 것으로 나타났다.
- 전파 관측은 제트가 뜨거운 흐름이 차지하는 영역에서 시작되는 모습을 추적했다.
- 연구팀은 이곳에 모이는 자기장이 블랙홀의 회전 에너지를 끌어내 제트에 동력을 공급할 수 있다고 제안한다.
- 후속 관측에서는 더 질량이 큰 블랙홀을 살펴보고, 이 설명을 이론 모형 및 시뮬레이션과 비교해 검증할 예정이다.
