서울시립대 물리학과 공동연구진, 초거대 블랙홀 형성 병목 문제 해법 제시

서울시립대학교는 한국천문연구원, 중원대학교와의 공동 연구진이 초거대 블랙홀 형성 과정에서 발생하는 '최종 파섹' 문제에 대한 새로운 해법을 제시했다고 8일 밝혔다. 이 연구는 초경량 암흑물질을 활용해 블랙홀 형성 병목 문제를 해결할 가능성을 처음으로 제시했다.

최종 파섹 문제는 두 블랙홀이 약 1파섹(3.26광년) 거리에서 더는 가까워지지 못하는 현상을 말한다. 기존 이론에서는 블랙홀이 서로 가까워지기 위해 주변에 별이나 가스가 필요하지만, 1파섹 거리에서는 이들이 거의 없어서 블랙홀들이 더는 가까워지지 못한다는 견해였다.

공동 연구진은 초경량 암흑물질이 이 문제를 해결할 수 있다고 제안했다. 초경량 암흑물질은 매우 가벼운 입자로 이뤄져 있으며, 개별적으로 움직이지 않고 거대한 파동처럼 단체로 움직인다.

연구진은 초경량 암흑물질의 고밀도 덩어리(스파이크) 속에서 초거대 블랙홀 쌍이 회전할 때 동역학적 마찰로 블랙홀들의 공전 반경이 줄어드는 시간을 계산하고 시뮬레이션을 통해 이 현상이 10억 년 이내에 가능함을 확인했다. 초경량 암흑물질 스파이크 속에서 회전하는 블랙홀 쌍성은 동역학적 마찰로 회전 에너지를 암흑물질 파동에 전달하며, 이를 통해 블랙홀들의 궤도 반지름을 감소시킨다.

초경량 암흑물질이 최종 파섹 문제의 해결책이라면, 블랙홀의 자전 속도 관측이나 블랙홀 충돌 과정에서 발생하는 중력파를 통해 그 특성을 간접적으로 확인할 수 있다. 이는 초거대 블랙홀과 은하의 공동 진화 연구, 중력파 관측 연구에도 영향을 미칠 것으로 기대된다.

박동수 서울시립대 교수는 "이번 연구는 제임스웹 망원경의 관측 결과와 맞물려 초거대 블랙홀의 진화 문제를 해결하는 데 중요한 의미가 있다"고 말했다.

이재원 중원대 교수는 "초경량 암흑물질과 자체 상호작용 암흑물질 중 어느 모델이 은하 구조나 블랙홀, 중력파 관측을 더 잘 설명할지 치열한 경쟁이 진행 중"이라고 설명했다.

이번 연구 논문은 국제 학술지 Physics Letters B에 발표됐다. 구현모 서울시립대 물리학과 박사과정생이 제1저자, 서울시립대 박동수·박인규 교수, 천문연구원 홍성욱 연구원이 공동 저자, 이재원 중원대 전기전자공학과 교수가 교신저자로 참여했다.