블랙홀의 최대 크기는 태양 500억개

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-18

대식가조차도 영원히 먹을 수는 없다. 은하 중심에 있는 블랙홀이 우리 태양 질량의 500억 배로 부풀면, 우주 사육장처럼 이용하고 있는 가스 원반을 잃어버릴지도 모른다. 대부분은 은하들은 그 중심부에 초거대 블랙홀을 가지고 있다. 블랙홀 주변의 우주 영역에는 궤도를 선회하는 가스 원반이 있다. 이 가스는 에너지를 잃고 안으로 떨어져서 블랙홀에 에너지를 공급할 수 있다. 그러나 이러한 원반은 불안정하다고 알려져 있으며 부서져서 별이 되기 쉽다. 이론적으로는 블랙홀은 원반의 안정적인 부분을 삼켜서 파괴할 수 있을 정도로 매우 크게 성장할 수 있을 것이다. 하지만 대부분의 사람들은 블랙홀이 실제로는 그렇게 되지 않을 것이라고 생각했다. “요구되는 질량이 대단히 거대하기 때문에 우리에게 걱정할 일은 일어나지 않았다”고 영국 리세스터대(University of Leicester)의 앤드류 킹(Andrew King)은 말했다. 그러나 그와 같은 한계가 존재한다는 것을 암시하는 관측결과가 있었다. 2008년에 예일대(Yale University)의 프리야 나타라잔(Priya Natarajan)과 칠레 컨셉션대(University of Concepcion)의 에세끼엘 트레이스테(Ezequiel Treister)가 이끈 독립적인 연구팀은 초기우주에서 블랙홀들이 얼마나 진수성찬을 즐겼고 그 블랙홀들이 최근에 얻을 수 있는 자유로운 가스가 얼마나 되는지를 고찰했다. 우주의 여명 이후로 블랙홀들이 식사를 얼마나 많이 했는지를 안다면, 가장 탐욕스런 블랙홀은 태양 질량의 약 500억 배 크기로 성장할 수 있었을 것이라고 그들은 주장했다. 킹이 이 주제로 되돌아오게 된 이유는 지난 몇 년 내로 발견되었던 메가 블랙홀(mega black holes) 때문이었다. 지금까지 우리가 관찰한 가장 무거운 블랙홀들은 우리 태양 질량의 최대 400억 배나 되는 질량을 가지고 있으며, 그것 때문에 킹은 블랙홀의 바깥 가장자리가 원반을 형성하지 못하도록 하려면 블랙홀이 얼마나 커야 하는지를 계산하게 되었다. 그는 또한 태양 질량의 500억 배라는 숫자도 제안하여, 이전의 발견들을 확고히 하였다. 원반이 없는 블랙홀은 성장을 멈출 것이며, 이것이 상한이 된다. 더 크게 성장하는 유일한 방법은 별이 우연히 직접 떨어지거나 또 다른 블랙홀이 병합되는 것일 것이다. 그러나 그 어떤 과정도 가스 원반만큼 효과적으로 블랙홀을 살찌우지는 않을 것이다. “또 다른 괴물과 합체되지 않는 한, 블랙홀의 질량에는 거의 아무런 차이도 만들지 못할 것”이라고 킹은 말했다. 비록 나타라잔도 유사한 한계를 제안했지만, 그녀는 킹의 접근방식이 약간 지나치게 간단하다고 생각했다. 킹의 계산은 가스 원반의 안정성에 초점을 맞추고 있지만, 어느 쪽이든 블랙홀 주변에 있는 가스의 양을 무시할 수 없다고 나타라잔은 주장했다. 뜨거운 가스가 블랙홀 속으로 나선을 그리며 돌진함에 따라, 블랙홀은 주변을 청소하는 X선으로 나머지 원반을 파괴한다. 이것은 너무 급히 연료를 공급받는 블랙홀은 자신의 식사가 목에 걸려 가스를 분출함으로써 식탁을 청소할 수 있다는 것을 의미한다. 이용 가능한 가스의 양은 이런 일이 발생할 때를 판단하는데 도움이 된다. “블랙홀이 들어 있는 중심 은하의 환경을 고려해야 한다. 중력에 의한 안정성만 보는 것으로는 충분치 않다”고 나타라잔은 말했다. * 관련논문 : arxiv.org/abs/1511.08502 dn28647-1_800.jpg https://www.newscientist.com/article/dn28647-black-holes-have-a-size-limit-of-50-billion-suns/