J1007+3540 블랙홀, 1억 년 침묵 끝에 대폭발

은하 J1007+3540의 중심부에 있는 블랙홀이 약 1억 년 동안 완전히 잠든 상태로 있었다. 이 블랙홀이 다시 깨어났다. 새로운 플라즈마 제트가 심우주로 뻗어나가며 거의 100만 광년에 걸친 구조를 형성하고 있다는 사실이 확인됐다.

인도 미드나포르 시티 칼리지의 쇼바 쿠마리가 이끄는 국제 연구팀이 이 현상을 관측하고, 천문학 저널 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society에 연구 결과를 게재했다. 관측에는 네덜란드의 LOFAR 전파망원경 네트워크와 인도의 uGMRT가 사용됐다.

두 층의 구조가 말하는 것

전파 이미지에는 두 가지 층위가 선명하게 드러났다. 바깥쪽에는 수억 년 전 분출로 생성된 낡고 희미한 플라즈마 후광이 있다. 안쪽에는 밝고 조밀한 제트가 새롭게 형성되어 있다. 중심 엔진이 재가동됐다는 명백한 증거다. 두 활동 시기 사이의 공백이 약 1억 년에 달하는 것으로 추정됐다.

쿠마리는 “수십억 년에 걸친 고요함 끝에 다시 폭발하는 우주 화산을 보는 것과 같다. 다만 이 화산은 100만 광년에 달하는 구조를 조각할 만큼 크다”고 밝혔다.

비교하자면, 100만 광년은 우리 은하 지름의 약 10배에 해당하는 거리다.

제트와 은하단 가스의 충돌

J1007+3540은 고온 가스로 가득 찬 거대한 은하단 안에 위치해 있다. 이 가스가 새로 발생한 제트에 가하는 외부 압력은 대부분의 전파은하가 경험하는 수준을 크게 웃도는 것으로 파악됐다.

그 결과 제트는 직선으로 뻗어나가지 못하고 있다. LOFAR 이미지는 은하의 북쪽 방사 엽(lobe)이 물리적으로 압축되고 뒤틀려 있음을 보여준다. uGMRT 데이터는 해당 영역이 수백만 년에 걸쳐 에너지를 거의 잃은 매우 오래된 입자들로 구성되어 있다는 점을 확인해줬다.

공동 저자 사비야사치 팔은 “J1007+3540은 제트-은하단 상호작용이 있는 에피소드형 활성 은하핵(AGN)의 가장 명확한 사례 중 하나”라고 설명했다.

은하 진화 모델에 던지는 질문

블랙홀이 주변 가스에 운동 에너지를 주입하면, 그 가스가 식어 새로운 별을 만드는 과정을 억제할 수 있다. AGN 피드백이라 불리는 이 메커니즘은 은하의 성장 속도를 결정하는 핵심 요소로 꼽힌다. J1007+3540의 모은하는 120억 년 이상 전에 형성된 별들로 이뤄진 거대 타원은하임에도, 현재까지 연간 100개 이상의 태양 질량에 해당하는 새로운 별을 만들어내고 있는 것으로 드러났다. 생성과 소멸의 순환은 아직 끝나지 않았다.

연구의 한계도 명시됐다. 1억 년이라는 비활성 기간 추정치는 플라즈마 노화 모델 — 전자가 자기장 속에서 에너지를 잃는 속도에 관한 계산 — 에 기반한 수치다. 이 모델에는 해당 규모에서 상당한 불확실성이 수반되며, 따라서 이 수치는 직접 측정값이 아닌 근거 있는 추정치에 해당한다. 또한 연구는 단 하나의 은하를 대상으로 삼고 있어, 유사한 주기가 거대 전파은하 전체 집단에서 얼마나 흔한지는 여전히 미지수다.

연구팀은 J1007+3540의 핵을 더 정밀하게 관측하고, 재활성화된 제트가 은하단 내부 매질을 통해 어떻게 퍼져나가는지 추적하기 위한 고해상도 후속 관측을 예고했다.