초거대질량 M87 암중점[블랙홀] 방출 제트분사 모습

M87 초대질량 블랙홀과 그 중심부에서 방출되는 제트의 모습. 사진 속 가운데 검은색 점이 M87 블랙홀이다. [사진=유럽남방천문대(ESO)]

M87 블랙홀은 지난 2019년 인류 사상 최초로 관측된 블랙홀이다. 제트는 기체와 액체 등이 섞인 물질의 빠른 흐름이다. 제트는 블랙홀 주변의 강력한 자기장 또는 상호 작용 등을 통해 방출되는데, 모든 블랙홀에서 발견되진 않는다. 예를 들어 초대질량 블랙홀 '궁수자리 A'에는 제트가 발견되지 않았다. M87에선 제트가 방출된다.

한국천문연구원 연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내 플라즈마가 냉각되는 싱크로트론 복사냉각 현상을 분석해 자기장 강도를 추정하는 데 성공했다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례하므로, 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다. [사진=한국천문연구원]

우선 제트에 대해 이해할 필요가 있다. 제트란 블랙홀을 중심으로 양 방향 발사되는 강력한 가스의 흐름이다. 전자나 양성자의 흐름 또는 전자의 양전자 등 소입자들이 빠르게 이동하는 식이다. 이 가스들은 출발점인 블랙홀 중심부에서부터 가속, 플라즈마 상태가 되어 빛과 맞먹을 정도의 속도로 분출된다. 하지만 블랙홀의 제트가 발생하는 메커니즘이 완전히 밝혀지진 않았다.
제트가 이렇게 빠르고 강하게 분출될 수 있는 이유로는 여러 이론이 있다. 그중 M87 제트의 경우 M87 주변에 자기장이 쌓이고 블랙홀이 회전하면서 중력에 의해 자기장이 같이 회전한다. 그렇게 생긴 압력이 양방향으로 입자(제트)를 밀어낸다는 이론이 가장 유력하다.

그렇게 방출된 제트는 빛의 속도로 최대 은하가 모여있는 은하단 크기까지도 뻗어나간다고 한다. 연구팀이 이번에 관측 성공한 M87 제트 자기장 강도는 블랙홀 중심부로부터 약 2-10광년 떨어진 거리다. 이때 제트의 자기장 강도는 0.3~1가우스(G, 자기장의 단위, 1만G=1테슬라)로 나타났다. 참고로 지구 자기장의 크기는 약 0.2~0.65G다. 즉, M87 중심부로부터 약 2-10광년 떨어진 거리의 제트 자기장이 인류가 지구에 서있는 것과 비슷한 중력을 받고 있다는 뜻이다. 또 이번 연구 결과는  M87 제트가 약 10광년 거리까지 방출되는 동안 다른 외부 요인으로 인해 크게 소실되지 않았음을 의미한다.