초대질량 블랙홀은 거의 모든 거대 은하의 중심에 자리 잡고 있으며, 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 우주적 저울을 기울게 한다. 어떻게 그렇게 거대해지는지는 여전히 난제다. 주변에서 가스를 흡수하는 것이 한 방법이지만, 가장 큰 사례들을 설명하기에는 분명히 너무 느리다. 다른 거대 블랙홀과의 합병이 그 빠진 설명의 유력한 후보다.

은하 충돌은 우주 전반에서 흔한 일이므로, 그 중심 블랙홀들도 결국 하나로 모여야 한다. 두 은하가 합병하면 그 블랙홀들은 서로 가까워지고, 서로를 공전하기 시작하며, 점차 안쪽으로 나선형으로 돌다가 결국 하나로 합쳐질 것으로 예상된다. 그러나 그 마지막 단계를 모델링하는 것은 여전히 골칫거리이며, 천문학자들은 충돌하는 은하의 증거가 넘쳐남에도 불구하고 극도로 가까이 공전하는 초대질량 블랙홀 쌍을 신뢰성 있게 확인한 적이 없다.

이제 본의 막스 플랑크 전파천문학연구소(MPIfR)의 실케 브리첸이 이끄는 국제 연구팀이 은하 Mrk 501 중심부에서 바로 그러한 쌍의 존재를 시사하는 직접적인 관측 증거를 발견했다. 이 발견은 《월간 왕립천문학회 회보》에 게재 승인되었으며 곧 출간될 예정이다.

천문학자들은 오랫동안 Mrk 501의 중심 블랙홀이 블랙홀 주변의 극한 조건과 강력한 자기장에 의해 구동되어 거의 빛의 속도로 입자 제트를 우주로 내뿜는다는 것을 알고 있었다. 이 시스템을 조사하기 위해 연구자들은 약 23년에 걸쳐 수십 개의 개별 날짜에 수집된 여러 주파수의 상세한 전파 관측 자료를 검토했다. 방대한 데이터 세트는 놀라운 사실을 드러냈다. 익숙한 제트와 함께 그 움직임을 추적할 수 있는 두 번째 제트가 존재했던 것이다.

이 관측은 연구자들이 은하 중심에서 그러한 시스템의 첫 직접 이미징 증거라고 부르는 것을 제공하며, 두 번째 초대질량 블랙홀이 존재한다는 것을 강력히 시사한다. 두 블랙홀 자체는 하늘에서 너무 가까워 개별적으로 분해되지 않는다.

브리첸은 "우리는 오랫동안 그것을 찾았고, 그런데 두 번째 제트를 볼 수 있을 뿐만 아니라 그 움직임까지 추적할 수 있다는 것은 완전히 놀라운 일이었다"고 보고했다.

우주적 춤을 추는 두 초대질량 블랙홀

이전에 알려진 제트는 지구를 향하고 있어 예외적으로 밝게 보이고 비교적 관측하기 쉽다. 새로 확인된 제트는 다른 방향을 가리키며, 이것이 왜 그토록 오랫동안 숨어 있었는지를 설명하는 데 도움이 된다.

단 몇 주간의 관측에서 천문학자들은 두 번째 제트의 위치에 극적인 변화를 발견했다. 그것은 더 큰 블랙홀 뒤에서 나타나 그 주위를 반시계 방향으로 휩쓸었다. 그 움직임은 반복되었고, 전체 시스템이 규칙적인 궤도 운동을 겪고 있음을 시사했다.

브리첸은 "데이터를 평가하는 것은 배 위에 있는 기분이었다. 전체 제트 시스템이 움직이고 있다. 두 블랙홀의 시스템이 이것을 설명할 수 있다. 궤도면이 흔들린다"고 설명했다.

연구자들은 또한 2022년 6월 시스템에서 나온 복사가 고리 모양을 형성한 것으로 보이는 이례적인 사건을 확인했다. 아인슈타인 링으로 알려진 이 현상은 중력이 빛을 휘게 하여 고리 모양의 모습을 만들 때 발생한다. 한 가지 가능한 설명은 두 블랙홀과 지구가 잠시 정확히 올바른 방식으로 정렬되어, 전경 블랙홀의 중력이 렌즈처럼 작용하여 뒤에 있는 두 번째 제트의 빛을 휘게 했다는 것이다. 중력 렌즈 효과라고 불리는 이 효과는 시스템의 성질에 대한 또 다른 잠재적 단서를 제공한다.

두 블랙홀, 단 100년 안에 합병할 수도

제트의 변화와 밝기의 반복 패턴을 조사함으로써, 팀은 두 블랙홀이 약 121일마다 서로를 한 바퀴 공전하는 것으로 보인다고 계산했다. 추정된 거리는 지구와 태양 사이 거리의 250~540배에 불과하다. 이는 엄청나게 들리지만, 이 천체들이 태양 질량의 1억 배에서 수십억 배에 이르는 질량을 가지고 있다는 것을 기억한다면...