초대질량블랙홀 불꽃으로 우주 끝까지 거리 잰다

천문연팀 주도의 국제연구 성과나와

페르세우스자리 A은하 활동은하핵 활용

100억 광년 이상 천체거리 측정법 제시

우주 끝까지 측정 가능한 돌파구 마련될듯

100억 광년 이상 떨어진 천체까지의 거리도 잴 수 있는 새로운 척도로 떠오른 활동은하핵의 일종인 ‘3C 84’와 이를 중심영역에 품고 있는 은하 ‘NGC 1275’의 이미지. /자료제공=천문연

100억 광년 이상 떨어진 머나먼 천체까지도 거리를 정확히 측정할 수 있는 방법이 우리 연구기관 주도의 국제연구를 통해 제시됐다. 강력한 불꽃을 뿜어내는 초대질량불랙홀의 밝기를 이용하는 것이다.

한국천문연구원은 본원의 제프리 호지슨 박사와 이상성 박사가 이끄는 국제연구팀이 우리 은하를 벗어난 다른 은하의 천체들까지의 거리도 정확히 잴 수 있는 기준이 될 천체 후보를 검증하는 데 성공했다고 22일 밝혔다. 해당 후보는 ‘3C 84’로 명명된 활동은하핵(AGN)이다. AGN은 대량의 에너지를 방출하는 은하의 중심영역을 뜻한다. ‘3C 84’는 2억 광년 이상 떨어진 ‘페르세우스자리 A은하’의 AGN이다.

표준촛불 원리. 빛의 밝기(I)는 광원으로부터 거리(r) 제곱에 반비례한다. 광원이 2배 만큼 더 멀어지면 밝기는 4배 어두워진다. 표준촛불 원리를 이용하면 고유 밝기를 알고 있는 천체까지의 거리를 구할 수 있다./자료제공=천문연

우주의 천체들이 지구로부터 어느 정도 떨어져 있는 지를 측정하는 데에는 이른바 ‘표준 촛불’기법이 이용된다. 표준 촛불이란 고유의 밝기가 확인된 천체다. 어둠 속에서 촛불이 멀리 떨어지면 점점 희미하게 보이듯 천체도 먼 곳에 있을수록 희미하게 보인다. 이 원리를 이용해 거리를 측정하고자 하는 천체의 밝기를 표준촛불의 밝기와 비교하면 어느 정도 멀리 떨어져 있는지 알 수 있다. 문제는 100억 광년 이상 떨어질 정도가 되면 표준 촛불로 삼을 만한 천체를 찾기 힘들다는 점이다. 그동안 표준촛불로 활용된 천체중 가장 먼 곳까지 거리를 잴 때 활용된 천체는 밝기가 강한 ‘제일 에이형(제Ia형) 초신성’이었는데 이마저도 100억 광년이 넘는 먼 은하까지의 거리를 잴 때에는 밝기의 한계로 인해 기준으로 삼기가 쉽지 않았다. 이에 대해 “크기가 140억 광년인 우리 우주를 이해하는 데 제한적이다”고 천문연은 전했다. 기존의 표준촛불로는 우주의 끝에 이르는 천체들까지는 정확한 거리를 측정할 수 없는 것이다. 이에 따라 천문연 연구진이 대안이 될 표준촛불 후보를 찾아 과학계에 제안하게 됐다.

일반적으로 AGN에는 태양 질량의 백만 배에서 수십억 배 질량에 이르는 초대질량 블랙홀이 존재해 강력한 빛을 뿜어낸다. 초대질량블랙홀로 주변 물질들이 빨려 들어갈 때에는 원반 형태(부착원반)가 나타난다. 부착원반의 중심에서 원반의 수직방향으로 물질을 빛의 속도에 가깝게 뿜어내는 제트가 분출되는데 이 과정에서 엄청난 복사에너지가 방출돼 우주 먼 곳에서도 볼 수 있는 강력한 빛이 발산되는 것이다. .

천체의 빛의 밝기를 상대적으로 분석해 거리를 재는 기법인 표준촛불과 표준척도 개념도/자료제공=천문연

천체의 거리를 측정하는 다양한 기준을 거리별로 사다리처럼 제시한 ‘우주거리 사다리’의 개념도. /자료제공=천문연

호지슨 박사 및 이 박사팀은 ‘3C 84’의 제트가 일부 영역에서 변광 특성을 보이며 광도가 146일 주기 동안 약 2.7배 정도 증가하는 것을 밝혀냈다. 우선 해당 AGN의 제트가 빛의 속도로 편광주기동안에 이동한 거리를 제트의 실제크기라고 가정했다. 이어서 해당 크기를 미국의 여러 전파망원경들을 하나의 거대 망원경처럼 연동시키는 천문관측시스템인 초장기선간섭계(VLBA)의 영상지도를 활용해 얻은 각크기와 비교했다. 연구팀은 그 결과 ‘3C 84’의 제트까지 거리가 2억2,000만~2억5000만 광년이라는 것을 알아낼 수 있었다. 이는 동일한 은하에서 표준촛불로 활용됐던 Ia형 초신성 관측으로 계산한 거리인 2억~2억7,000만 광년과 비슷하다. 따라서 AGN을 새로운 표준촛불로 활용하는 것이 우주 천체 거리측정법의 새로운 대안이 될 수 있음이 검증됐다는 게 천문연측 설명이다.

이 박사는 “앞으로 수행할 연구에서는 한국천문연구원에서 운영하는 초장기선간섭계인 한국우주전파관측망(KVN)을 활용해 더 먼 우주에 존재하는 은하까지의 거리측정에 도전할 것”이라고 밝혔다. 또한 “이는 우주론 모형을 검증할 수 있는 새로운 열쇠가 되어 우주의 끝을 밝힐 수 있을 것”이라고 설명했다. 연구진은 더욱 먼 활동은하핵까지의 거리를 측정하고 표준촛불로서의 활용 가능성을 검증해나가기로 했다. 아울러 후속 연구를 위해 한국천문연구원에서 운영하는 KVN을 호주, 스페인, 이탈리아 등의 전파망원경들과 연계할 계획이다. 이렇게 되면 미국의 VLBA를 능가하는 고해상도 국제 전파관측망을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 삼성미래기술육성재단 및 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과를 담은 논문은 영국 왕립천문학회지(Monthly Notice of Royal Astronomical Society Letters) 최신호에 게재됐다. /민병권기자 [e-mail]