중력렌즈 두 겹 확대, 블랙홀 코로나의 비밀을 열다

• 밀리미터파 변동성 관측 → 먼지·가스 아닌 블랙홀 코로나 기원 규명
• 거시·미시 중력렌즈 동시 발생 → 블랙홀 주변 구조 첫 밀리미터파 관측
• 후속 X선 관측 예정 → 코로나 온도·자기장 정밀 측정, 은하 진화 규명

국제 천문학자들이 우연히 겹쳐진 중력렌즈 효과를 활용해 초대질량 블랙홀 주변에서 밀리미터파 방출이 일어난다는 사실을 확인했다. 그동안 먼지와 가스에서 비롯된 방출인지 구분되지 않았던 밀리미터파의 기원을 처음으로 특정한 성과다. 연구 결과는 천문학 저널 『Astronomy & Astrophysics』에 게재될 예정이다.

은하 RXJ1131-1231에서 확인된 이중 확대

연구팀은 2015년 은하 RXJ1131-1231을 전파 간섭계 ALMA로 관측했다. 이 은하는 남쪽 하늘 컵자리에 위치한 퀘이사로, 중심에는 초대질량 블랙홀이 자리하고 있다. 지구와 이 은하 사이에는 또 다른 은하가 있어 거시중력렌즈 효과가 발생한다. 중간 은하의 중력이 뒤쪽 퀘이사의 빛을 휘어 실제보다 세 배 크게 보이게 하는 현상이다.

관측 과정에서 전경 은하 속 별 하나가 다시 빛을 휘면서 미시중력렌즈가 나타났다. 은하 전체가 큰 확대경 구실을 하고, 그 속의 별이 작은 확대경처럼 작용해 퀘이사 영상은 두 번 확대된 것이다. 연구진은 이를 “돋보기를 두 개 겹쳐놓은 것 같다”고 표현했다. 거시렌즈와 미시렌즈가 동시에 작용하는 이중 확대 덕분에, 일반 망원경으로는 볼 수 없던 블랙홀 주변의 세밀한 구조가 드러났다.

검은 구멍 중심을 둘러싼 뜨겁고 소용돌이치는 플라즈마를 표현한 시각화 이미지. 푸른 빛의 고리는 초대질량 블랙홀 주변에서 방출되는 에너지와 강력한 자기장을 나타내며, 블랙홀의 강착 원반과 코로나 활동을 묘사하고 있다.

블랙홀 코로나, 밀리미터파 방출의 근원으로 드러나다

연구팀은 2020년 다시 은하 RXJ1131-1231을 관측해 퀘이사의 밝기 변화를 추적했다. 분석 결과 퀘이사는 수년에 걸쳐 밀리미터파에서 뚜렷한 변동을 보였다. 밀리미터파는 일반적으로 차가운 먼지나 안정된 가스에서 방출되며 이런 천체는 수년 단위의 급격한 변화를 보이지 않는다. 따라서 이번 신호는 먼지나 가스가 아닌 블랙홀 바로 곁의 역동적인 구조에서 기원한 것으로 판명됐다.

연구진은 방출원을 블랙홀을 감싸는 코로나(corona)로 지목했다. 코로나는 수억 도의 초고온 플라즈마와 강력한 자기장이 얽힌 영역으로, 블랙홀 제트와 고에너지 방사의 출발점으로 알려져 있다. 이번에 확인된 밀리미터파의 깜빡임은 코로나 내부에서 에너지가 축적되고 방출되는 과정을 보여주는 직접적인 증거로, 블랙홀 활동을 지배하는 자기장의 역할을 규명하는 데 중요한 관측으로 평가된다.

밀리미터파 영역에서 미시중력렌즈 효과가 활용된 것은 이번이 처음이다. 이는 블랙홀 주변에서 에너지가 어떻게 생성되고 방출되는지를 직접 추적할 수 있는 새로운 방법이 열렸다는 의미다. 블랙홀의 활동은 은하 전체의 별 탄생과 진화를 좌우하기 때문에, 이번 성과는 우주 진화 연구와 극한 물리 환경 이해를 동시에 진전시키는 출발점으로 평가된다.

연구진은 이어서 찬드라 X선 망원경으로 코로나의 온도와 자기장 분포를 정밀 관측해, 블랙홀과 은하의 상호작용을 한층 더 구체적으로 밝힐 계획이다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: M. Rybak et al, Detection of millimeter-wave coronal emission in a quasar at cosmological distance using microlensing, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.13313

자료: Astronomy & Astrophysics  , arXiv