블랙홀과 은하 팽대부

빛보다 빠른 것이 있을까?

기원전 3만 3900년 블랙홀이 빛의 속도보다 빨라 보이는 속도로 구형 물질 2개를 방출한다. 그러나 이것은 상대성원리로 인한 허상일 뿐이라고 한다.

범죄 현장은 우리은하 내에서 3만 4,000광년 정도 떨어진 곳이라 한다. 무거운 별의 진화로 만들어진 블랙홀은 이따금 동반성인 적색 거성의 물질을 빨아들인다고 한다. 이 항성계의 식인 풍습은 중력을 통해 서로 묶여 있는 쌍성계에서는 흔한 일이라고 한다. 빨아들이는 범인의 질량이 아주 특이한 것이다. 이 블랙홀 질량은 태양질량의 14배인데 항성 블랙홀로서는 상당히 큰 편이라고 한다. 그런데 더욱 비범한 사실은 이 블랙홀이 일단 충분히 배를 채우고 나면 반대되는 두 방향으로 물질 다발을 방출한다는 점인데 이것은 광속의 90 % 속도로 날아간다고 한다.

 

유일한 증거는 사건의 각 단계에서 방출된 복사라고 한다. 강착 단계에 서는 X 선과 감마선이, 배출단계에서는 전파가 방출된다고 한다. 4만 년 후 이 모든 복사가 지구 가까이 도달할 때 먼저 주목을 받는 것은 X-선과 감마선 복사라고 한다. 1992년 러시아 위성 그라나트에 탑재된 천문관측기기를 담당한 천체물리학 연구팀은 광대역 카메라를 이용해 이 사건을 발견하고 이것을 GRS 1915+105로 등록했다. 이후 그라나트의 관측 도구인 프랑스의 시그마 우주망원경을 통해 이 사건의 일이 관측되었는데 그것은 블랙홀 생성의 고유한 특징을 모두 보여준다고 했다.

 

시그마를 통해 수집된 데이터 덕분에 이제 1994년보다 더 정밀하 게 GRS 1915+105의 천구상 위치를 측정할 수 있다고 한다. 프랑스계 아르헨티나 천체물리학자 펠릭스 미라벨과 멕시코의 루이스 로드리게스는 VLA(VLA, Very Large Array, 장기선 간섭계)를 이용해 이것을 관측했다. VLA는 초정밀 전파 이미지를 만들어내기 위해 고안된 미국의 전과 간섭계라고 한다. 당시 블랙홀 쌍성은 분출 단계에 있었으며 분출물의 속도가 빛의 속도보다 빠르다는 점을 발견한 두 천체물리학자는 놀랄 수밖에 없었다고 한다.

 

이 기이한 사실은 '빛의 속도는 등속 직선 운동을 하는 어떠한 움직이는 좌표에 대해서도 동일하다'는 점을 규정한 상대성원리와 관련이 있다고 한다. 분출물의 속도가 빛의 속도에 가까운 바로 이 경우에는 단순한 속도의 덧셈이 적용되지 않는다고 한다. 천체물리학자들이 물질 다발이 페퍼져 나가는 것을 관측한 각도에서 보면 이 다발이 광속보다 빠르게 움직인다는 인상을 받는다고 한다. 그러나 이것은 허상에 불과하다고 한다. 빛의 속도를 초과하는 것은 SF영화에서만 가능한 것이라고 한다.

 

우리은하 중심의 반물질

기원전 2만 4650년 반물질의 신비로운 근원은 초당 100억 톤의 반입자를 방출한다. 이것들이 소멸하며 생긴 감마 복사를 인테그랄 우주 관측소가 탐지해냈다.

성간 흡수로 인해 1만 광년 이상 떨어져 있는 별들을 관찰하기 어려우므로 천체물리학자들은 오랫동안 우리은하의 중심부를 관측할 수 없었다고 한다. 그러나 오늘날의 사정은 다르다고 한다. 성간 먼지를 통한 흡수에 덜 민감한 적외선 촬영을 이용하기 때문인 것이다. 그리하여 천체물리학자들은 많은 나선은하처럼 우리은하도 많은 별을 거느리고 중앙에 구형 팽대부를 가진 원반이라는 점을 깨닫았다. 적외선으로 촬영된 데이터에 따르면 반지름이 약 3,000광년인 이 팽대부는 핵을 제외하면 아주 늙은 별들로 이뤄져 있다고 알려졌다.

 

더 놀라운 사실은 은하 팽대부가 활동적인 동시에 수수께끼 같은 반물질의 원천을 포함하고 있다는 점이라고 한다. 이 원천은 매초 전자의 반입자인 양전자를 100억 톤 방출하고 있다고 한다. 양전자가 팽대부를 둘러싼 아주 미세한 성간 매질 안에 떨어지면 이것은 결국 전자 와 함께 소멸하는데 이 과정에서 감마선이 발생하고 이 감마선의 3분의 2는 일정한 파장으로 방출된다고 한다. 이 소멸 복사는 약 2만 7000년 후 지구 근처에 도달했다. 1970년대 초부터 관측된 이 복사를 통해 알 수 있는 집을 우리은하의 중심부에 양전자가 생산되기 적절한 장소가 있다는 것이었다. 그런데 2002년부터 시작된 유럽의 우주관측소 인테그랄의 관측을 통해 마침내 그 장소의 경계가 정해졌으며 그것이 은하 팽대부와 일치한다는 점이 입증되었다.

 

어떤 메커니즘을 통해 은하 팽대부에서 양전자가 이렇게 많이 생성될 수 있을까? 미국의 피터 밀른같은 천체물리학자들은 핵융합 초신성, 즉 쌍성계의 백색왜성 폭발을 주목하라고 했다. 이 초 신성은 붕괴할 때 양전자를 내는 니켈-56을 방출하는 것으로 알려져 있다고 한다. 은하 팽대부에서 이런 종류의 사건이 일어나는 비율은 아주 낮은 것으로 추정된다고 한다. 그래서 프랑스의 물리학자 셀린 보엠과 동료들은 2003년 훨씬 색다른 시나리오를 제안했다. 이들에 따르면 양전자는 우리은하 중심부에 축적된 여전히 알려지지 않은 일종의 가벼운 암흑물질이 소멸할 때 생기는 부산물일지도 모른다고 한다.