태양 밝기의 700조배, 신비의 천체 퀘이사는 무엇이었을까?

태양 밝기의 700조에 달하는 이 천체는 밤하늘의 가장 밝은 별이자 블랙홀이자 은하입니다. 아직도 이 퀘이사에 대한 정의가 분분하기에 마땅히 무엇이라 불러야 할지 마땅치 않습니다. 천체물리학에 관심 있는 사람들에게는 가장 큰 신비이자 관심거리인 퀘이사라는 천체에 대해 알아보겠습니다.

 

퀘이사와 빛의 막대기 제트 JET (이미지 : NASA)

우주에서 가장 밝은 천체 퀘이사, 대체 얼마나 밝길래?

일단은 블랙홀입니다. 누구는 은하다, 중성자별이다, 무엇이다 추측하지만 지금까지 밝혀진 바로는 활동성 초대질량 블랙홀(Supermassive black hole)이라 표현하는 것이 맞다고 합니다. 간단히 표현하자면 둥그런 블랙홀의 외형을 따라서 둥그런 광원을 만들고 그 광원의 축을 따라서 강력한 빛의 기둥을 발산하는 형태의 천체를 퀘이사(Quassar, Quasi-Stellar Object)라고 부른다는 것입니다. 우리가 알고 있는 블랙홀은 사건의 지평선(이벤트 호라이즌, Event horizon)을 넘어서면 빛이 탈출하지 못하므로 항상 무색(검은색)의 모습이었습니다. 하지만 이 퀘이사는 주변에 강력한 원반형태의 광원(강착원반, accretion disk)과 도넛에 막대기를 꽂은 모양의 기둥(JET)이 어마어마한 양의 빛과 전파를 발산하고 있기에 일반적인 블랙홀과는 그 형태가 완전히 다릅니다. 빛의 기둥과 광원이 뿜어내는 밝기는 상상하기 어려울 정도인데 태양보다 700조나 더 밝고 어떤 경우에는 1경 배에 이르기도 한다고 합니다. 이것은 가장 밝은 은하 100개에서 1000개를 합친 것만큼이나 밝은 것입니다.

 

퀘이사의 발견 : 태양과 달리 빛과 함께 엄청난 전파까지 방출하는 퀘이사.

현대에 들어 퀘이사를 처음 발견한 것은 1963년 캘리포니아 공대의 천문학자 마르텐 슈미트(Maarten Schmidt)입니다. 그는 강한 빛을 내는 천체를 관측하다 가시광선이 아니라 강력한 전파를 내뿜고 있는 전체를 발견하게 됩니다. 밤하늘에 빛나는 별의 대부분은 은하이거나 태양과 같이 스스로 빛을 내는 항성들입니다. 이 항성들은 핵융합으로 폭발하고 있기 때문에 열과 빛, 즉 가시광선을 내뿜게 됩니다. 하지만 슈미트가 관측한 천체는 가시광선뿐만 아니라 X선, 원적외선, 자외선, 그리고 강력한 전파까지 모든 파장에서 막대한 에너지를 뿜어 내고 있었습니다. 이러한 천체의 모습은 그때까지 알려진 어떤 은하나 항성과 비교해도 유사점을 찾을 수가 없었습니다. 그렇습니다. 현대 천체물리학의 가장 미스터리하고 위대한 발견! 퀘이사를 처음 관측한 것입니다. 처음 이 퀘이사를 발견했을 때 천문학자들은 당혹스러울 수밖에 없었습니다. 그래서 그들은 은하도, 항성도, 성운도 아닌 이 천체를 전파를 뿜어내는 그 어떤 것이라는 의미로 준성전파원(Quasi steller radio source), 즉 퀘이사(Quassar)라 명명하게 됩니다.

 

퀘이사의 생성 원인 : 퀘이사는 어떻게 만들어질까?

천문학자들이 말하는 퀘이사는 블랙홀입니다. 과거 퀘이사가 어떤 천체인가에 대한 다양한 이론과 가설이 등장했지만 최근 연구결과에 의하면 퀘이사는 충돌하고 있는 초대질량 블랙홀(Supermassive black hole)이라고 합니다. 대부분의 은하 중심에는 은하의 중심 중력원인 초대질량 블랙홀(은하의 핵)이 각각 존재하는데 두 은하가 충돌하면서 이 초대질량 블랙홀들이 하나로 합쳐지는 과정에서 발생한다고 합니다. 2023년 영국 하트퍼드셔 대학교(University of Hertfordshire) 천체물리학 연구센터 조니 피어스(Johnny Pierce) 박사 연구팀은 퀘이사를 가진 은하와 퀘이사가 없는 은하들을 비교해 퀘이사가 생성되는 이유가 은하 간 충돌이라는 사실을 밝혀냈습니다. 이렇게 충돌하고 있는 초대질량 블랙홀들은 합쳐지는 과정에서 다시 활성화되고 엄청난 중력으로 주변 물질들을 모두 집어 삼키게 된다고 합니다. 빛의 속도에 가깝게 회전하면서 빨려 들어가는 과정에서 동그란 광원 즉 강착원반(accretion disk)을 만들어내고 그중 일부 입자들은 제트(JET)라고 불리는 막대기 모양의 빛과 전파로 방출된다고 합니다. 이러한 설명은 퀘이사의 나이가 대부분 오래된 천체이고 심지어 130억 살이 넘는 퀘이사도 발견되는 현상을 함께 설명해 줄 수 있다고 합니다. 우리가 관측 가능한 우주는 138억 년이라 것에 비추어 보면 퀘이사는 아주 아주 오래된 우주 초창기의 모습입니다. 우주 생성 초장기에는 지금보다 은하 간 밀도가 매우 높았고 지금보다 훨씬 많은 은하 간 충돌이 있었을 것으로 예측됩니다. 그래서 당연히 우주 생성 초창기에는 은하 간 충돌도 많았을 것이고 퀘이사 역시 많이 생성되었을 가능성이 높은 것이죠.

이렇게 이번 포스팅에서는 우주의 미스터리 천체 퀘이사에 대해 알아보았습니다. 예전에는 퀘이사에 대해 아직 정확한 생성원인을 알 수 없다는 이야기가 많았는데 최신의 연구결과들을 보면 어느새 퀘이사에 대해 새롭게 알아낸 것들이 많아 졌다는 것을 느끼게 됩니다. 지구라는 조그마한 행성에 앉아서 별 빛만으로 이렇게나 우주에 대해 많은 것들을 알아내고 이해하고 있는 인간이라는 존재도 우주만큼이나 신비로운 것 같습니다.