퀘이사

너무 빨리 먹어서 은하 전체보다 밝게 빛나는 블랙홀

단계별로

별이 아니었던 별

1963년 마르턴 슈미트는 3C 273이라는 희미한 빛점이 별이 아님을 알아냈습니다. 그 빛은 약 20억 년의 여정 동안 팽창하는 우주에 의해 늘어나 있었습니다.

3C 273은 처음에 전파의 원천으로 알려졌습니다. 케임브리지 제3 목록의 273번째입니다. 1962년 달이 그 앞을 지나갔고, 전파가 끊기는 시각을 재어 위치를 알아냈습니다. 그곳에는 13등급의 평범해 보이는 별이 있었고, 옆에 희미한 줄무늬가 있었습니다.

그 스펙트럼은 이해할 수 없었는데, 슈미트가 그것이 익숙한 수소의 무늬이며 붉은 쪽으로 거의 16% 옮겨졌다는 것을 알아보았습니다. 그렇게 만들 수 있는 것은 우주의 팽창뿐이므로, 그 빛은 약 20억 년 동안 여행해 온 것입니다. 그렇게 멀리서 그렇게 밝은 것은 엄청나게 강력해야 했습니다. 이런 천체는 준항성 전파원, 곧 퀘이사라고 이름 붙었습니다.

우리은하 백 개보다 밝다

3C 273은 태양 4조 개만큼, 우리은하 전체의 약 백 배로 빛나며 며칠 만에 깜빡입니다. 그 빛은 모두 폭이 몇 광일밖에 안 되는 영역에서 나옵니다.

3C 273 주위에는 거대한 타원은하가 있지만, 보통 사진에서는 중심의 눈부신 빛에 묻혀 사라집니다. 일식 때 달이 태양을 가리듯 중심의 빛을 가리는 코로나그래프로, 허블은 2024년에야 그것을 선명하게 볼 수 있었습니다.

3C 273이 30광년 떨어져 있다면 우리 하늘에서 태양만큼 밝게 빛날 것입니다. 그런데도 그 빛은 며칠 만에 변하는데, 어떤 것도 빛이 가로지르는 시간보다 빨리 한꺼번에 밝아질 수는 없습니다. 그러니 광원은 폭이 몇 광일, 대략 우리 태양계만 합니다.

은하는 거대 타원은하의 단순한 모형으로 그렸습니다. 중심이 얼마나 더 밝은지는 측정을 따릅니다.

먹고 있는 블랙홀

중심에는 태양 약 2억 6천만 개 질량의 블랙홀이 있습니다. 소용돌이치며 떨어지는 가스는 원반에서 짓눌리고 달궈져, 은하의 모든 별을 합친 것보다 밝게 빛납니다.

거의 모든 큰 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 있고, 대부분은 조용합니다. 퀘이사는 먹이를 받고 있는 블랙홀입니다. 은하의 가스가, 흔히 다른 은하와의 충돌로 휘저어져, 삼킬 수 있는 것보다 빨리 떨어져 들어갑니다.

가스는 곧장 떨어질 수 없습니다. 배수구 주위의 물처럼 납작한 원반으로 소용돌이치고, 스스로 문질러 에너지를 잃으며, 뜨거워지면서 천천히 안쪽으로 나선을 그립니다. 블랙홀의 그림자와 그 주위에서 휜 빛은 일반 상대성 이론대로 그렸고, 원반의 줄무늬는 그린 것입니다.

가장 맹렬한 빛

블랙홀 가까이에서 원반은 주로 자외선으로 빛납니다. 떨어져 들어가면 가스 질량의 약 10분의 1이 빛으로 바뀝니다. 별 속 핵융합의 열네 배입니다.

블랙홀로 떨어지는 물질은 빨라지고 뜨거워집니다. 원반의 가스가 지평선 크기의 몇 배 되는 가장 안쪽 안정 궤도에 이를 즈음이면, 질량의 약 10분의 1이 열과 빛으로 바뀌어 있고, 블랙홀이 빨리 돌면 더 많아집니다.

태양은 수소를 헬륨으로 융합하면서 태우는 질량의 0.7%만 에너지로 바꿉니다. 그래서 먹고 있는 블랙홀이 우주에서 가장 강력한 꾸준한 빛입니다. 원반에서 우리 쪽으로 도는 쪽이 더 밝고 푸르게 보이는데, 광속의 큰 비율로 움직이는 가스가 빛을 앞쪽으로 몰아 보내기 때문입니다.

자외선은 보이지 않습니다. 원반은 그 온도의 색으로 그렸습니다.

빠른 궤도의 구름

더 바깥에서는 가스 구름이 중심에서 약 145광일 떨어져 초속 약 3,000km로 돕니다. 2018년 GRAVITY라는 장비가 그것들이 도는 것을 보았고, 그것으로 블랙홀의 질량을 쟀습니다.

퀘이사의 빛에는 넓은 선이 보입니다. 각 원소의 색이 번져 있는데, 그것을 내는 가스가 초속 수천 km로, 일부는 우리 쪽으로, 일부는 멀어지며 움직이기 때문입니다. 이 구름들은 그 안쪽의 원반이 비춥니다.

2018년 ESO 초거대 망원경의 8m 망원경 네 대를 하나로 묶는 GRAVITY는 3C 273에서 구름의 빛이 어디서 오는지 재어 그것들이 회전하는 것을 보았습니다. 한쪽은 우리 쪽으로 다가오고 다른 쪽은 멀어집니다. 그 거리에서 도는 빠르기로부터 블랙홀의 질량, 태양 약 2억 6천만 개가 나옵니다(GRAVITY Collaboration 2018).

구름의 색은 그린 것입니다. 다가오는 것은 파랑, 멀어지는 것은 빨강입니다. 회전은 빠르게 했으며, 실제로는 한 바퀴에 수백 년이 걸립니다.

은하를 가로지르는 제트

가스의 일부는 결코 떨어지지 않습니다. 축을 따라 거의 광속으로 내던져져, 우리은하 폭의 두 배인 길이 20만 광년의 제트를 이룹니다.

블랙홀 가까이에서, 도는 원반과 블랙홀이 감아올린 자기장이 가스 일부를 축을 따라 거의 광속으로 내던집니다. 퀘이사 약 열 개 중 하나는 전파로 밝게 빛날 만큼 강한 제트를 가지고 있습니다.

3C 273의 제트는 보통 허블 사진에서도 보이며, 길이 약 20만 광년의 줄무늬입니다. 그 속의 매듭들은 빛보다 빠르게 바깥으로 달려가는 것처럼 보이지만 착시입니다. 거의 광속으로 거의 똑바로 우리 쪽을 향해 움직이므로 빛이 몰려서 도착하기 때문입니다. 우리 반대쪽을 향한 쌍둥이 제트는 너무 희미해 보이지 않습니다.

제트는 허블 사진에서 보이는 것처럼 옅은 파란색으로 그렸습니다.

가장 밝은 것

알려진 가장 밝은 퀘이사 J0529-4351은 태양 500조 개만큼 빛납니다. 태양 170억 개 질량의 블랙홀은 매일 태양 하나보다 많은 가스를 삼킵니다.

J0529-4351은 너무 밝아서 수십 년 동안 하늘 탐사 목록에 별로 올라 있었습니다. 2024년 크리스티안 울프가 이끄는 팀은 ESO 초거대 망원경으로, 그것이 120억 년도 더 전에 빛이 출발한 퀘이사임을 보였습니다.

그 블랙홀은 태양 질량의 약 170억 배이며 아직도 자라고 있습니다. 그것을 먹이는 원반은 폭이 약 7광년으로 알려진 것 중 가장 크며, 태양 500조 개보다 밝게 빛납니다(Wolf 등 2024).

원반은 측정된 크기대로 그렸습니다. 가운데 블랙홀의 그림자는 이 축척에서는 너무 작아 보이지 않습니다.

퀘이사의 시대

퀘이사는 약 100억 년 전, 은하들이 젊고 가스로 가득했을 때 가장 흔했습니다. 그 뒤 대부분 먹이가 떨어졌고, 밝은 퀘이사는 오늘날 드뭅니다.

빛이 우리에게 오는 데 시간이 걸리므로 가장 먼 퀘이사가 가장 오래된 것이기도 합니다. 거리마다 세어 보면, 밝은 퀘이사는 100억~110억 년 전에 지금보다 약 백 배 흔했습니다.

그때 은하들은 가스가 풍부하고 자주 충돌해, 가스를 중심으로 몰아넣었습니다. 가스가 별로 쓰이거나 날아가 버리면서 대부분의 블랙홀은 잠잠해졌습니다. 오늘날 많은 거대 은하에는 예전 퀘이사의 잠든 블랙홀이 있습니다.

그래프는 탐사로 찾은 모양을 대략 보여 줍니다. 여기서 퀘이사가 어두워지는 모습은 그린 것입니다.

우리의 블랙홀

우리은하의 블랙홀 궁수자리 A*는 태양 430만 개 무게이며 거의 먹지 않습니다. 하지만 은하 위아래의 거대한 감마선 거품 두 개는 그것이 수백만 년 전에 타올랐음을 암시합니다.

궁수자리 A*는 3C 273의 블랙홀보다 약 60배 가볍고 거의 굶고 있습니다. 태양 수백 개 정도로만 빛나며, 그것도 주로 전파와 X선입니다.

2010년 페르미 우주 망원경은 은하 중심 위아래로 각각 약 25,000광년까지 뻗은 거대한 감마선 덩어리 두 개를 발견했습니다. 그 크기와 모양은 수백만 년 전 중심에서 일어난 폭발을 암시하며, 아마 궁수자리 A*가 마지막으로 크게 먹었을 때일 것입니다.

거품은 눈에 보이지 않으며, 여기서는 보라색으로 그렸습니다. 우리은하는 단순한 모형으로 그렸습니다.

절대 움직이지 않는 등대

퀘이사는 너무 멀어서 결코 움직이지 않는 것처럼 보입니다. 천문학자들은 그중 수천 개를 하늘의 모든 위치를 재는 기준인 고정점으로 씁니다.

별들은 은하 속을 움직이며 해마다 하늘을 떠돕니다. 수십억 광년 떨어진 퀘이사는 제자리에 있으므로, 가장 좋은 이정표가 됩니다.

우주선을 조종하고 지구의 자전을 추적하는 데 쓰이는 국제 천구 기준 좌표계는, 세계 곳곳의 전파 망원경이 잰 먼 전파원 4,536개의 위치 위에 세워져 있으며 그 대부분이 퀘이사입니다(ICRF3, 2018). 가이아 우주선은 거의 20억 개 별의 지도를 약 160만 개의 퀘이사에 묶습니다.

고리는 지도처럼 퀘이사를 표시하며, 고리 안의 점은 그린 것입니다.

이 이야기 속 천체

TON 618

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