기초과학

블랙홀로 우주의 가속팽창 관측이 가능할까?

발행일 : 2013 / 03 / 05

중국과학원 고에너지물리연구소의 왕지엔민(王建民)연구원이 이끌고 있는 국제협력연구팀은 최근 일종의 특수 블랙홀이 성능이 뛰어난 신규 표준촉광(standard candle)임을 발견하였다.

Ia형 초신성(type la supernova)보다 10~100배나 밝은 이 특수 블랙홀로 우주의 가속팽창 역사의 핵심적인 시기를 탐사하고 암흑에너지의 진화과정을 탐측할 수 있을 것으로 전망된다. 관련 연구성과를 최근 미국 “Physical Review Letters”에 발표하였다.

왕지엔민은 “은하계에서 기체가 블랙홀의 인력을 받으면 그 주위에 하나의 기체원판(gaseous disk), 즉 강착원판(accretion disk)을 형성한다”면서 블랙홀은 기체를 빨아들이는 과정에서 대량의 인력에너지를 방출하기 때문에 복사가 매우 심하다고 밝혔다.

과학자들은 초기에 X 레이저로 일부 특수 초대질량 블랙홀을 연구하였다. 이러한 초거대 블랙홀이 빨아들이는 힘은 태양의 천억배에 이를 정도로 거대하다.

연구결과, 이러한 초거대 블랙홀 주변의 강착원판은 특수한 구조를 갖고 있는 것으로 발견되었다. 블랙홀은 수직방향으로 중등 기하 고도를 기지고 있지만 산란광(scattered light)이 매우 깊고 크기 때문에 일반적으로 “길고 가는” 강착원판으로 불린다.

왕지엔민 연구원은 인력에너지를 소진하고 방출되어 나오는 광자는 강착원판과 수직되는 방향에서 전자산란횟수가 많기 때문에 강착원판의 표면을 벗어나기 매우 힘들며, 이로 인해 강한 “광자 구속”효과를 일으킨다.

그 결과 대량의 광자가 강착 매질과 함께 블랙홀로 빨려 들어가면서 강착원판의 방사량이 포화상태에 처하게 되며, 블랙홀의 질량에 선형으로 의존한다.

이러한 블랙홀에 대한 분광측정을 통해 블랙홀의 질량 및 강착원판 방사의 특정 광도를 얻을 수 있다. 블랙홀의 촉광이 Ia형 초신성 정밀도 수준에 이를 경우 관측을 통해 우주학 거리를 측정할 수 있으며 우주 가속팽창의 동력학 진화과정을 연구하는데 도움이 된다.

Ia형 초신성의 원래의 별은 항성진화의 영향을 받기 때문에 적색이동이 1 이상인 초기시대 우주에서 수량이 급격히 줄어드는 것으로 알려졌다. 그 밖에 블랙홀을 표준촉광으로 우주진화과정을 측정하기에는 국한성이 크다. 블랙홀 촉광 수량은 우주거리가 커질수록 늘어나며 그 수명은 백만년 이상에 이르기 때문에 중복관측하면 측정오차를 뚜렷이 줄일 수 있다. 블랙홀 촉광은 우주학을 관측하는 새로운 분석도구로 사용될 전망이다.