천문학자들은 활동은하 마카리안 501(줄여서 Mrk 501)의 중심에서 두 개의 초거대 블랙홀로 구성된 의심되는 긴밀한 쌍성계를 발견했습니다. 관련 연구는 독일 막스플랑크 전파천문학연구소가 주도했으며 왕립천문학회 월간 공지에 승인되었습니다.

장기간의 고해상도 무선 관측에 따르면 은하 중심부에는 오래 전부터 알려진 강력한 입자 제트(제트란 거의 빛의 속도로 분출되는 고에너지 입자의 흐름을 의미함)가 있을 뿐만 아니라 두 번째 제트도 숨겨져 있어 서로 매우 가까이 공전하는 한 쌍의 초대질량 블랙홀에 대한 직접적인 증거를 제공합니다.

현재 연구에 따르면 거의 모든 거대 은하는 질량이 태양 질량의 수백만에서 수십억 배에 달하는 초대질량 블랙홀의 중심에 존재하는 것으로 나타났습니다. 그러나 단순히 주변 가스를 강착시키는 것만으로는 우주 시대에 이러한 "크기"로 성장하는 것은 어렵습니다. 따라서 블랙홀 간의 합병은 '살찌게'하는 중요한 방법 중 하나로 간주됩니다. 은하 사이의 충돌을 관찰하는 것은 드문 일이 아니며, 이들 은하 중심에 있는 블랙홀이 중력의 영향을 받아 점차 가까워져 결국 합쳐질 것이라는 추측도 있습니다. 그러나 이론적 모델은 이 "최종 단계"를 설명하는 데 여전히 불완전하며 "밀접 쌍성 블랙홀" 시스템은 이전에 이미징을 통해 확실하게 확인된 적이 없습니다. Mrk 501의 이번 관측은 이 오랜 천체물리학 사진의 핵심 퍼즐 조각을 제공합니다.

연구팀은 약 23년에 걸쳐 다양한 무선 주파수에서 Mrk 501의 핵심 영역에 대한 관측 데이터를 체계적으로 분석했습니다. 데이터는 전 세계에 분산된 전파 망원경 네트워크에서 제공되었으며 매우 높은 각도 해상도를 형성했습니다. 그 결과 지구를 향하고 특히 밝은 것으로 알려진 제트 외에도 데이터에 숨겨진 두 번째 제트도 있음이 밝혀졌습니다. 그 방향은 첫 번째 제트기와는 분명히 달랐고, 단 몇 주 만에 상당한 위치 변화를 보였습니다. 천문학자들은 여러 시대의 데이터를 비교하여 두 번째 제트를 "봤을" 뿐만 아니라 그 궤도도 추적했는데, 이는 다른 블랙홀 주위의 궤도가 투영되는 효과로 해석되었습니다.

관측 기록에 따르면 두 번째 제트는 알려진 블랙홀 뒤에서 더 큰 질량과 시계 반대 방향으로 궤도를 그리며 방출되는 것으로 보이며, 이는 마치 전체 제트 시스템이 "흔들리는" 것처럼 지속적인 관측에서 주기적인 변위 변화를 보여줍니다. 연구팀은 이 현상을 쌍성 블랙홀계의 궤도면이 흔들리는 현상으로 설명했다. 두 개의 블랙홀이 서로 공전하면서 제트 방향과 우리 시선 사이의 각도가 끊임없이 변하는 현상이다. 2022년 6월 관측에서 제트 시스템의 방사선은 극도로 "비뚤어진" 경로를 통해 지구에 도달했습니다. 알려진 전경 블랙홀의 강한 중력으로 인해 휘어지는 효과로 인해 후면 제트에서 나오는 빛은 소위 "아인슈타인 고리"라고 불리는 대략 고리 모양의 구조로 "당겨졌습니다". 이는 "전경 블랙홀은 중력렌즈 역할을 하고, 배경 제트는 두 번째 블랙홀에서 나온다"는 설명을 강력히 뒷받침한다.

연구팀은 제트의 밝기 변화와 위치 진화의 주기성을 분석해 두 블랙홀이 서로 공전하는 데 약 121일이 걸리는 것으로 계산했다. 그들 사이의 거리는 지구와 태양 사이의 거리의 약 250~540배로 추정됩니다. 이는 일반 별의 경우 여전히 엄청난 규모이지만, 태양 질량이 1억~10억 사이인 초거대 블랙홀의 경우 이 거리는 이미 상당히 "빡빡"합니다. 질량 범위와 궤도 매개변수를 기반으로 볼 때, 이 쌍성 블랙홀 시스템은 중력 복사로 인한 궤도 에너지 손실로 인해 약 100년 내에 결국 합쳐질 수 있습니다. 이 시간 규모는 우주의 진화에서 "임박한" 것으로 간주됩니다.

두 개의 블랙홀 자체는 매우 거대하지만 Mrk 501은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에 블랙홀의 '사건의 지평선' 고리 구조를 촬영한 EHT(사건의 지평선 망원경)조차 현재 이를 두 개의 독립적인 천체로 직접 분리할 수 없다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 궤도 반경이 더욱 줄어들면서 쌍성 블랙홀 시스템의 "최종 회전 원"은 여전히 ​​영상으로 직접 확인하기 어려울 것이지만, 과학자들은 또 다른 "신호", 즉 극저주파 대역의 중력파 복사를 통해 최종 단계를 포착하기를 희망하고 있습니다. 이러한 신호는 밀리초 펄서의 주기적인 미세 섭동을 정밀하게 모니터링하여 우주의 대규모 중력파 배경을 '듣는' PTA(펄서 타이밍 배열) 관측 방법을 통해 감지될 것으로 예상됩니다.

실제로 초대질량 블랙홀 쌍성은 이미 2023년 유럽 펄서 타이밍 어레이(European Pulsar Timing Array)와 같은 팀이 보고한 "중력파 배경" 신호를 설명하는 주요 후보 소스 중 하나입니다. Mrk 501은 이제 PTA가 측정한 특정 저주파 중력파 신호를 특정 쌍성 블랙홀 시스템과 직접적으로 대응시켜 이전의 통계적 "배경"에 천체의 명확한 정체성을 부여할 것으로 예상되는 매우 귀중한 "표적 실험실"이 되었습니다. 연구 협력자들은 미래에 중력파가 이 근원지 방향으로 성공적으로 포착될 수 있다면 블랙홀이 나선형으로 가까워지는 과정에 따라 시간이 지남에 따라 주파수가 점차 증가하는 것을 볼 수 있을 뿐만 아니라 처음으로 '초거대 블랙홀 합병' 규모의 '실시간 추적'에 가까운 진화 기록을 얻을 수 있을 것이라고 지적했습니다.

이번 연구에는 막스플랑크 전파천문학연구소의 실케 브리첸(Silke Britzen), 프레데릭 야론(Frédéric Jaron), 니콜라스 로이 맥도날드(Nicholas Roy McDonald)가 공동저자로 서명했으며, 관련 결과는 왕립천문학회 월간지에 게재될 예정이다. Mrk 501의 중심에 있는 이 초거대 블랙홀 쌍성쌍은 은하수 중심의 블랙홀이 어떻게 성장하는지 이해하는 핵심 사례를 제공할 뿐만 아니라 펄서 타이밍을 기반으로 하는 미래 중력파 천문학의 보기 드문 '발사 범위'를 열어 인간이 향후 수십 년에서 수백 년 내에 우주 규모의 '블랙홀 합병'을 우리 눈으로 목격할 수 있게 해줍니다.