독일 막스플랑크 전파천문학연구소가 이끄는 국제 과학 연구팀이 지구에서 수억 광년 떨어진 헤라클레스 활동은하 마카리안 501(Mrk 501)에서 밀접하게 공전하는 한 쌍의 초대질량 블랙홀에 대한 직접적인 증거를 최초로 획득했다고 발표했습니다. 연구에 따르면 한 쌍의 블랙홀은 두 개의 고에너지 제트를 통해 노출됩니다. 그들 사이의 거리는 태양-지구 거리의 250~540배에 불과합니다. 총 질량은 수억 또는 수십억 개의 태양에 도달할 수 있습니다. 이론적으로 그들은 약 100년 안에 합쳐져 감지 가능한 저주파 중력파를 생성할 수 있습니다.

현재의 관측과 이론은 일반적으로 거의 모든 거대 은하의 중심에 질량이 태양의 수백만에서 수십억에 달하는 초대질량 블랙홀이 숨어 있다고 믿고 있습니다. 그러나 우주 시간 규모에서 이러한 거대 괴수가 어떻게 빠르게 성장하는지는 천체 물리학에서 풀리지 않은 핵심 미스터리로 남아 있습니다. 주변 가스가 천천히 부착되는 것만으로는 질량 성장을 설명하기 어렵기 때문에 연구자들은 대규모 블랙홀 간의 합병이 중요한 역할을 한다고 항상 의심해 왔습니다. 우주에서는 은하 충돌이 매우 흔한 일이기 때문에 중심 블랙홀들이 중력의 영향을 받아 점차 서로 접근해 쌍성 블랙홀 시스템을 형성하는 것은 피할 수 없는 과정으로 여겨진다. 그러나 이번 관측 이전까지 천문학계는 최종 밀집 단계에 있는 한 쌍의 초대질량 블랙홀을 명확하게 식별하지 못했습니다.

이 연구는 중심 블랙홀이 오랫동안 알려져 있고 거의 지구를 겨냥한 상대론적 제트로 유명한 블레자르 은하계의 잘 알려진 클래스인 Mrk 501을 대상으로 했습니다. 은하의 핵심을 깊이 조사하기 위해 팀은 시간이 지남에 따라 제트기의 미세 구조의 진화를 추적할 수 있을 만큼 높은 해상도로 수십 개의 관측 임무에서 얻은 다양한 주파수 대역에서 약 23년에 걸쳐 고해상도 무선 관측 데이터를 편집하고 분석했습니다. 놀랍게도 연구자들은 지구를 향해 향하는 잘 알려진 주 제트 외에도 핵 근처에서 두 번째 제트를 식별했습니다.

논문의 제1저자인 실케 브리첸(Silke Britzen)은 이러한 유형의 시스템의 구조가 은하의 핵심에서 명확하게 영상화된 것은 이번이 처음이며, 이는 두 번째 초거대 블랙홀에 대한 강력하고 직접적인 증거를 제공한다고 지적했습니다. 연구팀은 이미지에서 동일한 강도의 윤곽선과 모델 피팅을 통해 제트의 밝은 지점을 표시하고 관측 날짜에 따라 이러한 구조의 변위와 형태학적 변화를 비교하여 제트의 움직임을 추적했습니다. 결과는 이전에 알려진 제트("제트 1"로 표시됨)가 분명히 지구를 향하고 있는 반면, 새로 발견된 "제트 2"는 다른 방향을 가리키며 단 몇 주 만에 크게 변화했으며, 두 제트의 시작점은 은하의 중심에서 매우 가깝다는 것을 보여주었습니다.

천문학자들에게 제트 1은 우리를 거의 직접적으로 향하고 있기 때문에 유난히 밝게 보이며 수년 동안 상대론적 제트의 전형적인 예였습니다. 이와 대조적으로 Jet 2는 시선에서 멀리 떨어져 있으며 복잡한 무선 구조로 인해 오랫동안 해결하기 어려웠습니다. 최신 데이터에서 연구원들은 이 두 번째 제트가 더 거대한 블랙홀 뒤에서 "내밀어 보이는" 것처럼 보이며 시계 반대 방향으로 주위를 이동하면서 주기적인 기하학적 변화와 밝기 변화를 형성한다는 것을 발견했습니다. Blitzen은 데이터 분석 과정을 "배 위에 서서 전체 제트 시스템이 흔들리는 것을 관찰하는 것과 같다"고 설명했습니다. 이중 블랙홀 시스템을 도입하고 궤도면이 흔들리도록 허용해야만 이러한 일련의 역동적인 현상을 합리적으로 설명할 수 있습니다.

더욱 극적으로, 2022년 6월 관측 중에 시스템의 방사선 경로가 심각하게 왜곡되어 이미지에 "아인슈타인 고리"와 같은 특징이 생성되었습니다. 연구팀은 당시 시스템이 지구의 시선과 거의 완벽하게 정렬된 것으로 믿고 있다. 전경에 있는 더 큰 블랙홀은 렌즈처럼 배경 제트의 빛을 굴절시켜 우리에게 고리 모양으로 보이게 합니다. 이는 전형적인 강한 중력 렌즈 효과입니다. 이 드문 현상은 "이중 블랙홀 + 이중 제트 + 중력 렌즈"의 설명 틀을 더욱 뒷받침합니다.

연구팀은 장기적인 밝기 변화와 제트 형태의 주기적인 변화를 분석함으로써 한 쌍의 초거대 블랙홀이 약 121일의 주기로 서로 공전하고 있음을 추론했습니다. 이들의 거리는 지구-태양 평균 거리 250~540배, 즉 약 23억 2천만~50억 2천만 마일(약 374억~808억 킬로미터)에 해당하며, 이는 질량이 1억~10억 태양 사이인 물체의 궤도 거리에 매우 가깝습니다. 서로 다른 질량 조합에 대한 모델 계산에 따르면, 한 쌍의 블랙홀은 궤도 에너지를 더 잃고 결국 약 100년 안에 합쳐져 천문학 역사상 보기 드문 '준실시간' 초대질량 블랙홀 합병 후보가 될 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 Mrk 501은 지구에서 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 EHT(Event Horizon Telescope)와 같은 가장 진보된 시설조차도 두 개의 블랙홀을 하늘의 독립적인 빛 지점으로 완전히 분리하기가 어렵습니다. 즉, 천문학자들은 첫 번째 블랙홀 사진을 찍을 때처럼 한 쌍의 블랙홀이 서로 접근하고 합쳐지는 전 과정을 직접적으로 영상화할 수는 없다. 그들은 궤도 수축을 간접적으로 추적하기 위해 제트 구조의 진화와 전반적인 밝기 동작에만 의존할 수 있습니다.

그러나 연구자들은 쌍둥이 블랙홀이 계속해서 서로 가까워지면서 극도로 낮은 주파수의 중력파를 방출할 것이라고 예측하고 있으며, 이는 펄서 타이밍 배열(Pulsar Timing Array, PTA)에 의해 감지될 것으로 예상됩니다. 최근 몇 년 동안 유럽 펄서 타이밍 어레이(European Pulsar Timing Array)와 같은 여러 협력 프로젝트에서 발표된 결과에 따르면 많은 초대질량 블랙홀 쌍성이 중첩되어 형성된 중력파 배경이 처음에 감지되었으며 초대질량 블랙홀 쌍성계가 이 배경의 지배적인 소스로 간주됩니다. Mrk 501은 이번에 근접 쌍성 블랙홀 후보로 확인되어 향후 특정 천체 시스템과 PTA 신호를 통합할 수 있는 최고의 목표 중 하나가 됩니다.

논문의 공동 저자인 Héctor Olivares는 미래에 이 시스템에서 명확한 중력파 신호를 포착할 수 있고 시간이 지남에 따라 주파수가 꾸준히 증가한다면 인간의 관측 시간 범위 내에서 초대질량 블랙홀 합병의 전체 과정을 '목격'할 수 있는 기회가 있을 것이라고 지적했습니다. 이는 중력파 천문학의 이정표가 될 뿐만 아니라 매우 강한 중력장 하에서 일반 상대성 이론의 적용 가능성을 테스트하고 은하 중심에 있는 블랙홀의 성장 메커니즘을 이해하기 위한 전례 없는 실험실을 제공할 것입니다.

관련 연구는 2026년 3월 27일자 '왕립천문학회 월간지'에 'Mrk 501의 핵 코어 내 두 번째 제트의 탐지'라는 제목의 논문 형태로 게재됐다. 전파 간섭계, 장기 시퀀스 분석, 중력 렌즈 해석 분야에서 획기적인 성과를 거둔 이번 발견은 초대질량 블랙홀이 어떻게 합병을 통해 '도약 성장'을 달성하는지 이해하는 데 핵심적인 증거를 제공하고, 향후 중력파 관측을 통해 특정 소스를 찾을 수 있는 길을 제시하는 것으로 간주됩니다.