인도 천문학자들, 블랙홀 활동 주기 네 차례 포착한 최초의 전파은하 확인

거대한 은하에서 발견된 네 세대의 제트

약 420만 광년에 걸쳐 뻗은 한 은하에는 중심 초대질량 블랙홀 주변에서 일어난 서로 다른 네 차례의 활동 흔적이 보존돼 있다. 덕분에 천문학자들은 우주 엔진이 작동을 멈췄다가 다시 시작하는 과정을 이례적으로 오랜 시간에 걸쳐 살펴볼 수 있게 됐다.

인도과학교육연구원 푸네(IISER Pune)와 국립전파천체물리학센터(NCRA-TIFR) 연구진은 S자 모양의 은하 J023721.13-010528.5에서 밝은 전파 특징 네 쌍을 확인했다. 각 쌍은 서로 다른 세대의 제트와 연관돼 있다. 제트는 블랙홀 주변에서 뿜어져 나오는 고에너지 입자의 강력한 흐름이다.

연구진은 이 은하가 네 차례 활동의 증거를 보이는 최초의 전파은하라고 설명했다. 천문학자들이 연구한 수만 개의 전파은하 가운데 대다수는 주요 제트 활동기가 한 차례 나타난다. 세 차례 활동의 증거가 확인된 은하는 지금까지 여섯 개뿐이었다.

이번 연구는 IISER 푸네의 박사과정 학생 파반 카데카르가 주도했으며, NCRA-TIFR의 다람 비르 랄과 IISER 푸네의 라마나 아트레야가 지도했다. 연구 결과는 2026년 10월 21일 The Astrophysical Journal에 게재된 것으로 발표됐다.

블랙홀 활동 주기란 무엇인가?

초대질량 블랙홀의 질량은 태양의 수백만 배에서 수십억 배에 이를 수 있다. 블랙홀 주변에 모인 물질은 뜨겁게 회전하는 흐름을 형성할 수 있다. 이 주변 영역에서 방출되는 에너지 일부는 제트에 동력을 공급해, 모은하의 가시 영역을 훨씬 넘어 멀리까지 뻗어나가게 한다.

천문학자들은 이러한 활동과 관련된 구조가 전파 파장에서 강하게 빛나는 은하를 전파은하라고 부른다. 전파망원경은 이 복사를 감지해 일반적인 가시광선 사진으로는 놓칠 수 있는 특징을 드러낸다.

제트는 희미해지기 전까지 수백만 년 동안 활동할 수 있다. 이후 활동이 재개되면 새로운 제트 한 쌍이 뿜어져 나오는 동안 오래된 구조도 더 바깥쪽에서 계속 관측될 수 있다. 따라서 한 은하에 여러 세대의 활동 흔적이 동시에 남을 수 있다. 이는 풍경에 연이어 남은 자국들이 서로 다른 시기의 사건을 보존하는 것과 비슷하다.

J023721.13-010528.5의 핵심 발견은 하나의 계에서 네 세대가 확인됐다는 점이다. 이 활동 기간 동안 블랙홀은 같은 자리에 있으며, 달라지는 것은 주변 물질과 그 물질에 의해 동력을 얻는 제트의 활동이다.

연구진이 은하의 역사를 재구성한 방법

카데카르 연구진은 인도의 자이언트 미터파 전파망원경(GMRT), 미국의 초대형 배열 전파망원경(Very Large Array), 남아프리카공화국의 미어캣(MeerKAT) 망원경 관측 자료를 결합했다. 이 관측 자료를 함께 분석해 은하의 광범위한 전파 구조를 살피고 서로 다른 활동기와 연관된 특징을 구분할 수 있었다.

결정적인 증거는 핫스폿 네 쌍이었다. 핫스폿은 제트와 연관된 밝은 영역으로, 빠르게 흐르는 물질이 주변 물질에 에너지를 전달하는 곳에서 나타나는 경우가 많다. 이러한 영역은 천문학자들이 제트의 이동 경로와 주변 환경과의 상호작용을 추적하는 데 도움을 준다.

네 쌍은 밝은 영역 여덟 개가 서로 연관된 네 개의 묶음으로 배열돼 있다는 뜻이다. 제트는 보통 중심 영역에서 서로 반대 방향으로 뻗어 나오기 때문에 짝을 이루는 것이 중요하다. 연구진은 네 묶음이 하나의 연속적인 활동기가 아니라 서로 분리된 여러 세대를 보여준다고 해석했다.

아트레야는 랄이 활동의 네 번째 단계라고 주장했는데도 처음에는 이를 확신하지 못했다. 그는 납득할 만한 증거를 추출하는 데 시간이 걸렸다고 말했다. 이런 면밀한 검토가 발견의 핵심이었다. 네 번째 세대를 확인하려면 관측된 구조들이 어떻게 서로 들어맞는지를 밝혀야 했기 때문이다.

수백만 년에 걸친 역사

핫스폿 세대와 연관된 추정 연령은 약 600만 년에서 2,100만 년까지다. 연구진은 가장 최근 활동기가 수백만 년 전에 시작된 것으로도 추정했다. 이 수치들은 사람의 일생 동안 변화를 지켜본 결과가 아니라, 은하의 전파 복사를 바탕으로 재구성한 역사를 나타낸다.

큰 흐름은 다음과 같다.

• 약 2,100만 년 전: 관측된 제트 세대와 관련해 추정된 연령 범위의 오래된 쪽에 해당한다.
• 약 600만 년 전: 추정 연령 범위의 젊은 쪽에 해당한다.
• 수백만 년 전: 네 번째이자 가장 최근 활동기가 시작된 것으로 추정되는 시점이다.
• 2026년 10월 21일: 연구 결과가 The Astrophysical Journal에 게재된 것으로 발표된 날짜다.

제시된 연령 범위의 오래된 쪽과 젊은 쪽 사이에는 약 1,500만 년의 차이가 있다. 이는 기록이 얼마나 오랜 기간에 걸쳐 이어지는지를 보여준다. 다만 연구진은 활동이 재개된 각 시점이나 활동 사이의 휴지기를 모두 포함하는 완전한 연대표를 제시하지는 않았다.

천문학자들은 전파 구조의 물리적 특성과 그 구조가 어떻게 진화하는지를 설명하는 모형을 이용해 연령을 추정한다. 고에너지 입자는 복사를 방출하며 이동하는 동안 변하고, 그 흔적이 전파 신호에 남는다. 이렇게 도출한 연령은 추정치이므로 전체 과정은 수백만 년의 시간 규모에서 이해하는 것이 적절하다.

네 차례 활동이 이 은하를 특별하게 만드는 이유

J023721.13-010528.5는 천문학자들이 세 차례 활동도 드물게 추적해 온 은하 유형에 네 번째 장을 보탰다. 이전에 확인된 활동 세 차례의 은하 여섯 개는 반복되는 활동의 사례를 보여줬다. 이번 천체는 관측된 활동 이력에 한 세대를 더 추가했다.

은하의 규모는 기록을 더욱 인상적으로 만든다. 광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리이므로, 420만 광년은 빛이 그 거리를 가로지르는 데 약 420만 년이 걸린다는 뜻이다. 여기서 언급한 크기는 거대한 은하와 그 전파 구조를 가리킨다.

S자 모양도 관측된 구조의 일부다. 이번 연구는 여러 쌍의 핫스폿과 함께 이 모양을 확인했지만, 발견을 다룬 설명에서는 곡선의 원인이 규명되지 않았다. 모양을 설명하고 활동 주기를 재구성하는 일은 관련이 있지만, 전파 특징의 배열을 각각 살펴봐야 한다.

이 발견의 과학적 가치는 동일한 중심 엔진 주변에 연이은 활동기가 보존돼 있다는 데 있다. 연구자들은 서로 다른 천체끼리 비교하는 데만 의존하지 않고, 같은 모은하와 주변 환경을 공유하는 한 은하 안에서 여러 세대를 비교할 수 있다.

제트는 점점 약해지거나 짧아지고 있을까?

연구진은 활동이 이어질 때마다 제트의 힘이 약해지거나, 활동 기간이 짧아지거나, 두 현상이 모두 나타날 수 있다고 제안한다. 눈에 보이는 재가동이 한 차례뿐인 은하보다 네 세대가 관측된 이 은하에서는 이 가능성을 살펴볼 기회가 더 많다.

힘과 지속 시간은 서로 다른 특성이다. 힘이 약한 제트는 에너지를 더 느린 속도로 전달한다. 활동 기간이 짧은 제트는 더 짧은 시간 동안 에너지를 전달한다. 어느 쪽이든 남겨진 구조를 바꿀 수 있으며, 주변 기체도 제트가 팽창하고 희미해지는 방식에 영향을 줄 수 있다.

따라서 이 제안은 반복되는 활동에 따라 블랙홀의 출력이 어떻게 달라질 수 있는지를 다룬다. 이번 발견으로 연구자들은 오래된 잔해와 최근의 구조를 비교할 수 있는 계를 확보해 이러한 양상을 조사할 수 있게 됐다.

활동이 반복해서 멈췄다가 재개되는 이유는 아직 알려지지 않았다. 중심부에 도달하는 물질이 제트에 동력을 공급하므로, 그 공급량의 변화는 활동 주기를 이해하는 데 중요하다. 이 은하에서 어떤 일이 있었는지 규명하려면 전파 구조와 주변 환경을 추가로 연구해야 한다.

세 관측소가 함께 기록한 하나의 역사

이번 발견에는 세 대륙에 있는 관측 장비의 자료가 모였다. 서로 다른 전파 관측을 활용하면 밝고 작은 특징뿐 아니라 훨씬 희미하고 넓게 퍼진 복사도 살펴볼 수 있다. 여러 세대의 활동이 이어진 은하의 역사를 재구성하려면 오래된 흔적을 찾아내는 일이 필수적이다.

연구를 이끈 IISER 푸네 박사과정 연구자 카데카르는 관측소 자료에 대한 접근이 연구에 어떻게 기여했는지 설명했다.

“많은 전파망원경이 전 세계 연구자에게 관측 자료를 무료로 제공합니다. 관측소의 이러한 협력적 철학은 더 종합적인 연구를 가능하게 하고, 데이터를 더 효율적으로 활용하게 합니다. 여러 과학자가 같은 관측 자료를 각기 다른 아이디어를 탐구하는 데 사용할 수 있습니다.”라고 카데카르는 말했다.

GMRT, 초대형 배열 전파망원경, 미어캣의 관측 자료를 결합한 것은 이러한 접근 방식을 잘 보여준다. 한 연구를 위해 수집한 전파 관측 자료에 다른 연구에 유용한 증거가 담길 수도 있다. 다른 자료와 함께 살펴볼 때 그 중요성이 드러나는 희미한 구조도 그중 하나다.

비슷한 은하를 추가로 연구하면 반복적인 활동이 얼마나 자주 일어나는지, 후대의 제트가 흔히 약해지거나 짧아지는지를 밝히는 데 도움이 될 수 있다. 현재 J023721.13-010528.5는 연구할 수 있는 네 세대의 흔적을 제공하는 드문 사례로, 반복적인 블랙홀 활동에 관한 관측 기록을 기존 사례보다 확장했다.

핵심 내용

• IISER 푸네와 NCRA-TIFR 연구진이 블랙홀 활동이 네 차례 분리돼 일어난 증거를 보이는 최초의 전파은하를 확인했다.
• S자 모양의 은하 J023721.13-010528.5는 약 420만 광년에 걸쳐 뻗어 있다.
• 핫스폿 네 쌍이 서로 다른 제트 세대를 보여주며, 추정 연령은 600만 년에서 2,100만 년에 이른다.
• 가장 최근 활동기는 수백만 년 전에 시작된 것으로 보인다.
• 연구진은 인도의 GMRT, 미국의 초대형 배열 전파망원경, 남아프리카공화국의 미어캣 망원경 관측 자료를 결합했다.
• 연구진은 후대의 제트가 약해지거나 활동 기간이 짧아질 수 있다고 제안했다. 활동이 반복적으로 멈췄다가 재개되는 원인은 아직 알려지지 않았다.