퀘이사는 블랙홀일까? 가설과 이론에 대한 자세한 설명해 드립니다.

케이사

 

이 블랙홀은 가루강케어처럼 빛의 고리도 보이는데 추가적으로 블랙홀의 축을 따라서 빛을 발산하는 모습입니다.

그런데 한 가지 놀라운 사실은 이 케이사가 엄청난 양의 빛을 뿜어낸다는 거예요. 

이 빛이 어느 정도냐면 하늘 위에 있는 태양보다 700조나 더 밝아요. 

이것은 가장 밝은 은하 100개를 합친 것만큼 엄청난 밝기죠 도대체 케이사가 뭐길래 이만큼이나 밝은 걸까 오늘은 우주에서 가장 신비한 천체 중 하나 퀘이사를 알아보도록 합시다

1962년 캘리포니아 공대의 천문학자 마르텐 슈미트는 3시 273을 연구하고 있었습니다. 
이 천체의 정체는 무엇이라고 정확하게 분류되지 않았고 또 신기한 점도 정말 많았기 때문에 슈미트의 흥미를 자극하기란 충분했습니다. 

슈미트는 계속해서 3시 273을 관측하면서 연구에 몰두했는데

별이라고 하기엔 별은 아닌 것 같고 또 은하라고 하잖냐

이 은하는 아닌 것

단 말이야 도대체 이 녀석의 정체가 뭘까

이 녀석의 정체는 은하였을까요. 그런데 만약에 은하라면 나선이라든지 타원이라든지 이런 어떤 일정한 면적이 관측돼야 되잖아요. 

그런데 이 녀석은 이런 면적은 보이지 않고 그저 아주 작은 하나의 점처럼 보였습니다. 
은하가 아니면 항성이겠네 항성이라고 하면 우리 태양처럼 스스로 핵융합을 하면서 빛을 내는 천체역

그런데 이 녀석의 스펙트럼을 분석해 보니까 아주 강력한 전파를 방출하는 거예요. 

이게 또 이상한 거죠. 보통 일반적인 항성들은 전파를 거의 방출하지 않거든요. 

왜냐하면 보통 항성은 내부에서 핵융합을 일으키고 빛과 열을 방출하고 대기 온도는 수천도에서 수만 도까지 분포합니다. 
이 정도 온도의 항성이라면 보통 가시광선을 많이 방출하지 전파는 거의
방출하지 않습니다. 게다가 3시 273은 가시광선뿐만 아니라 엑스선 원적외선 자외선 그리고 전파까지 모든 파장에서 막대한 에너지를 뿜어내고 있었습니다. 

이 스펙트럼의 파장은 당시까지 알려진 어느 항성하고 비교해 봐도 일치하지 않았고 따라서 항성일 수가 없었죠. 
그렇다면 성운일까 성운도 전파를 많이 발산하거든요.

그런데 성운도 아니에요. 성운이라고 하면 아주 넓게 퍼진 구름 같은 형태인데 이 녀석은 아주 좁게 모인 점의 형태였거든요. 
이렇게 3시 273처럼 아주 좁은 곳에서 엄청난 양의 전파가 나오는 건 전례가 없는 이상한 일이에요. 
항성도 아니야 성운도 아니야 그렇다고 은하도 아니야 이제 과학자들은 관측 과정에서 실수가 일어나지 않았는지 의심하기 시작합니다.

혹시 관측 위치가 잘못됐을까 관측 장비가 고장 났을까 기록이 잘못됐을까 그래서 과학자들은 또다시 관측하고 관측 자료도 다시 검토하고 있는 와중에 3시 273처럼 아주 강력한 전파를 내면서 동시에 별처럼 보이는 이상한 전파원들이 연이어서 발견되기 시작했습니다. 

이것은 분명히 인간의 실수가 아니라는 거죠. 

과학자들은 일단 이 정체 불명의 천체를 별과 비슷하지만 실제로 별은 아니고 그 대신 전파를 방출한다라는 의미에서
준성 전파원이라고 이름 지었습니다. 즉 퀘이사라고 이름 붙였죠. 

하지만 물론 이 퀘이사의 정체를 아는 과학자는 그 당시에 아무도 없었습니다. 
슈미트는 당시 가장 성능이 뛰어난 것으로 알려진 팔로마 천문대 해일 망원경으로 케이사의 스펙트럼을 분석했습니다. 
스펙트럼을 통해서 퀘이사의 질량 온도 대기 등 등 여러 가지 물리적 특징을 알아보는 거죠.

그 결과 슈미트는 케이사의 스펙트럼 파장이 16%나 길다는 걸 알게 됐습니다. 
즉 케이사는 지구로부터 빛의 속도의 16% 속도로 멀어지고 있다는 뜻이죠. 
이 스펙트럼의 파장에다가 천체가 멀어지는 속도를 대입해보면 이 케이사가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 있는데 무려 20억 광년이나 떨어져 있는 것으로 계산됐습니다.

이제 거리와 발길을 모두 알았으니까 얼마나 강한 빛을 내뿜는지도 알 수 있게 됐어요. 
이 녀석은 가장 밝은 은하보다 10배나 더 밝고 우리 태양보다 몇백조 배나 더 밝아요. 
정말 상상을 초월하는 엄청난 에너지를 뿜고 있는 거죠. 
더 신기한 건 케이사의 출력과 주기를 계산해 봤더니 케이사의 크기는 우리 태양계 크기 정도 됐습니다.

슈미트는 이 결과를 학계에 발표합니다.

이 괴이사이의 스펙트럼을 분석해본 결과 엄청 밝은 은하의 백 배 태양의 칠백조 가량 되는 빛이 태양계 사이즈의 무언가에서 방출되고 있습니다.

이 발표를 들은 과학자들은 그야말로 충격을 먹었어요. 
우주에서 이런 특징을 가진 무언가는 완전 처음이었거든요. 
과학자들은 슈미트의 연구를 토대로 이 퀘이사의 정체를 밝히기 위한 의견을 내기 시작합니다.

그 이사는 멀리 떨어진 은하에서 빠른 속도로 떨어져 나온 일종의 투사체임이 틀림없습니다. 
아닙니다.

분명히 은하 어딘가에 있는 중성

자별의 일종입니다.

 

 이곳은 어쩌면 화이트홀일지도 모릅니다.

전 세계 과학자들은 모든 가능성을 열어두고 이 퀘이사의 정체를 밝히기 위한 연구를 진행합니다. 
그런데 아무리 계산을 때려봐도 핵융합 에너지로는 퀘이사만큼의 엄청난 양의 에너지를 설명하지 못하는 거요. 
우리의 태양 같은 경우는 핵융합으로 빛을 내는데 질량의 0.7% 가량이 에너지로 전환됩니다. 

그러니까 백 그램 정도의 질량을 연료로 사용한다면 그 중에 영점7그램 정도만이 에너지로 바뀌는 거예요. 
즉 회사는 항성은 죽어도 아니라는 거죠.

마침 1960년대는 블랙홀에 대한 연구가 가장 활발한 시기 1969년 영국 왕립 그리니치 천문대의 도널드 린든 벨은 이렇게 주장했습니다.

괴사의 정체는 초거대질량 블랙홀일 것입니다. 
이 블랙홀의 강력한 중력이 막대한 에너지를 만들어낼 것입니다.

그의 주장의 근거는 이렇습니다. 태양 질량의 10억 배나 되는 초거대질량 블랙홀은 엄청난 중력으로 주변의 모든 것을 빨아들입니다. 

블랙홀 근처에 도달하는 모든 물질들은 블랙홀의 강력한 기조력 때문에 완전히 가루가 되고 가스가 되죠. 
블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 가스들은 거의 빛의 속도로 회전하고 있는데요. 

이때 엄청난 속도로 근처 입자끼리 서로 마찰하면서 열을 내기 때문에 1억도 이상의 엄청난 고온으로 가열되게 됩니다. 
이것이 바로 블랙홀의 강착 원반이죠.

강착 원반에 있는 일부 물질들은 블랙홀 속으로 빨려 들어가는데 이때 빨려 들어가는 질량의 10에서 40%만큼 에너지를 내뿜습니다. 
빨려 들어가지 않고 탈출하는 나머지 물질들은 제트 형태로 거의 빛의 속도에 가깝게 블랙홀을 탈출하게 되죠. 
그렇기 때문에 케이사의 발기는 태양의 천조배가 되기도 하고 일경배가 되기도 해요.

이렇게 블랙홀의 강력한 중력이 질량을 막대한 에너지로 바꾸면서 엑스선 감마선 전파 빛 등을 방출하고 은하 10개만큼의 빛을 내는 거죠. 
이렇게 퀘이사는 초거대질량 블랙홀인 것으로 밝혀졌습니다. 
그런데 천문학자들은 아직 이 퀘이사에 대해서 모르는 게 너무나도 많아요. 
그 중에 하나는 바로 케이사의 제트입니다. 
퀘이사의 제트는 몇 광년에서 몇 십 광년이나 뿜어져 나갈 정도로 엄청난 에너지를 발산합니다.

이 에너지를 직격으로 만든다면 그 어떤 행성도 무사할 수 없죠. 
그래서 학자들은 이 퀘이사 근처에 있는 행성들 뿐만 아니라 이 제트 기류 근처에 있는 모든 행성과 문명들까지 싸그리 휩쓸리고 박살 났을 거라고 생각하고 있어요. 
그런데 문제는 이 제트가 도대체 왜 만들어졌는지를 정확하게 모른다는 거예요.

가장 유력한 가설은 이렇습니다. 강착 원반은 아주 강력한 자기장을 형성하고 있는데 이 자기장 역시 강착 원반의 회전을 따라서 무지막지한 속도로 회전하고 있겠죠. 
이때 자기장은 전기장을 만들어내고 이렇게 만들어진 전기장하고 자기장이 공간의 회전을 따라서 플라즈마를 광속으로 뿜어낸다는 거죠. 
하지만 이것은 아직 이론일 뿐 정확하게 알려진 바는 없습니다.

두 번째 유무는 바로 퀘이사의 나이입니다. 
지금까지 발견된 퀘이사들은 대부분 나이가 엄청나게 많은데요. 
2021년 1월에 발견된 퀘이사의 나이는 130억년입니다. 
현재 관측 가능한 우주의 나이가 대략 138억 년이라고 하니까 거의 우주 초창기 때 만들어진 거겠죠. 
또 관측되는 퀘이사들은 아주 먼 곳에 있습니다. 
멀리 떨어진 천체일수록 빛이 지구까지 도달하는 데 오래 걸리기 때문에 더 옛날의 모습이 관측되는 거고 이것은 퀘이사의 나이가 많다는 증거겠죠.

또 퀘이사는 가까운 거리에서는 전혀 발견되지 않습니다. 
즉 발견되는 퀘이사들은 대부분 나이를 많이 먹었단 얘기죠 과학자들은 왜 이렇게 퀘이사의 나이가 많은지 연구를 하고 있는데요. 
아직 정확한 이유는 찾아내지 못했고 여기에 몇 가지 가설들이 있어요. 
첫 번째 빅뱅 이론에 따르면 우주는 끊임없이 팽창하고 있죠 그렇다면 초창기 우주는 지금보다 부피도 작고 밀도도 엄청 높았을 거예요. 
연구에 따르면 130억 년 전의 우주 부피는 현재하고

수천 배 이상 차이 난다고 해요. 이렇게 부피가 작고 밀도가 높은 초기 우주라면 별들은 따로 진화 단계를 거치지 않고 처음부터 바로 초거대 블랙홀을 형성했을 거다. 
케이사의 나이에 대한 두 번째 가설입니다. 
은하와 은하가 합쳐지고 또 그 은하가 은하랑 합쳐지면서 초거대 블랙홀이 탄생했을 것이다. 
이렇게 퀘이사의 탄생에 대한 여러 가지 이론들이 있는데 아직 그 어떤 것도 검증된 건 없기 때문에 퀘이사 탄생의 비밀은 여전히 베일에 쌓여져 있습니다.

과학자들은 이 퀘이사의 비밀을 풀기 위한 관측을 계속하고 있습니다. 
그중에서 100조 자리의 시그너스 a라는 케이사는 이 사진이 정말 장관 중에 장관이에요. 
지금 이 사진을 보시면 가운데 밝게 빛나고 있는 게 바로 초대질량 블랙홀이고요 이 블랙홀에서 양쪽으로 제트가 뿜어져 나오는 것을 볼 수 있어요.

이 제트의 길이는 무려 50만 광년이나 되어 이 제트의 길이만 우리 은하보다 다섯 배나 큰 거예요. 
정말 케이사이제트가 얼마나 강력한지 실감이 되는 부분인데요. 
정말로 이 사진을 보고 있으면 우주의 압도적인 힘에 경외감이 느껴질 수밖에 없어요. 
그리고 이 제트의 끝쪽을 보면 이제 먼지 구름 같은 게 형성돼 있는데 이것은 이제 제트가 무한정 계속해서 뻗어나가진 못할 거 아니에요.