[뉴스스페이스=김시민 기자] 국제 천문학자팀이 최근 인류가 직접 측정한 사례 중 가장 거대한 블랙홀을 코스믹 호스슈(Cosmic Horseshoe)라 불리는 은하계에서 발견해 과학계를 뒤흔들고 있다.

Space.com, New Scientist, IFLScience의 보도와 University of Portsmouth의 발표에 따르면, 새로 측정된 이 초거대 블랙홀의 질량은 무려 360억(36.3 billion) 태양질량에 달하며, 이는 우리 은하 중심부의 초대질량 블랙홀 ‘궁수자리 A’(약 400만 태양질량)보다 1만배나 더 무겁다.

이번 연구는 2025년 8월 7일(현지시각) 네이처 자매지인 ‘Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’에 게재됐다.

‘휴면’ 블랙홀을 잡아낸 이중 정밀 측정

전통적으로 블랙홀의 존재와 질량은 주변 물질(가스, 먼지 등)을 삼키며 발생하는 X선이나 강한 방사능 분출을 통해 측정되어 왔다. 하지만 이번에 측정된 ‘코스믹 호스슈’의 블랙홀은 관측 시점에 물질을 삼키지 않는 ‘휴면’(Dormant) 상태였다.

이에 연구진은 획기적으로 두 가지 방법을 결합했다. 먼저 강한 중력렌즈 효과(gravitational lensing)로 해당 블랙홀이 어느 정도 광선을 굴절시키는지 측정했고, 동시에 항성 운동학(stellar kinematics) 분석을 통해 은하 내부 별들이 초당 거의 400km에 달하는 질주 속도를 보여준다는 점을 이용했다. 이 두 측정값을 결합해 블랙홀의 실제 질량을 기존보다 훨씬 높은 신뢰도로 산출할 수 있었다.

대표저자 카를로스 멜로(UFRGS)는 “이 방법은 은하 중심부까지 세밀히 분석할 수 없었던 먼 거리에 있는 은하의 블랙홀까지 정확히 측정 가능한 혁신”이라며, “우리가 발견한 블랙홀은 물질을 삼키고 있지 않음에도 중력적 지배력만으로 효과적으로 검출해낸 첫 사례에 가깝다”고 언급했다.

‘아인슈타인 고리’가 만든 우주 최대급 은하

코스믹 호스슈 은하는 지구로부터 약 50억 광년 떨어진 사자자리(Leo)에 위치한다. 이 은하는 질량이 너무 커서, 배경에 있는 다른 은하에서 오는 광선을 강한 중력으로 구부려 말굽 모양의 ‘아인슈타인 고리’(Einstein ring)를 만든다. 전경 은하인 LRG 3-757은 우주에서 관측된 은하들 중 질량이 손꼽히게 크며, 우리 은하의 100배가 넘는다.

이번 블랙홀 질량 측정은 약 60억 태양질량의 오차 범위를 가졌으나, 경쟁 후보들에 비해 훨씬 낮은 불확실성을 자랑한다. “지금까지 보고된 초거대 블랙홀 중 상위 10위 내에 들고, 사실상 현재까지 가장 무거운 것으로 여겨진다”고 연구진은 설명했다.

은하-블랙홀 공동진화 이론 흔드는 대발견…‘화석 그룹’의 증거

기존 우주론은 은하와 중심 블랙홀이 오랜 시간 상호작용하며 질량적으로 동반 진화한다고 본다. 하지만 이번 코스믹 호스슈 블랙홀은 통상적인 스케일링(블랙홀 질량-은하 중심부 항성 속도 분산 관계) 예측치를 크게 초과한다. 이는 거대 은하계의 경우 이 스케일링이 별도로 작동하거나, 은하 합병과정에서 블랙홀 대합병이 반복되며 질량이 급등하는 등 이론적 재해석이 필요함을 시사한다.

또한 해당 은하는 주변 동반은하를 모두 흡수해 단일 초거대 은하와 블랙홀만 남은 ‘화석 그룹(fossil group)’ 상태로 해석된다. 화석 그룹이란 여러 은하가 융합하면서 중심 초질량 블랙홀이 동반 은하의 블랙홀까지 모두 흡수해 초거대 블랙홀로 진화한 우주 구조의 ‘최종단계’로, 이런 구조가 실관측을 통해 증명된 것은 매우 드문 일이다.

새로운 측정법, 우주 숨은 ‘블랙홀 제왕’ 찾아낼 게임체인저

블랙홀 연구를 이끌고 있는 토머스 콜렛(포츠머스대)은 “이번에 사용된 중력렌즈+항성운동 결합법은 유럽우주국(ESA)의 유클리드(Euclid) 우주망원경 등 차세대 망원경 데이터를 활용해 암흑 우주 속에 숨어 있는 ‘침묵의 초거대 블랙홀’들도 효과적으로 찾아낼 기반이 될 것”이라 내다봤다.

실제로, 이번 블랙홀은 질량만 놓고 보면 중간 크기 은하 전체의 질량을 한 점에 농축한 것에 비견된다.

이번 발견은 ‘숨은 우주 제왕’ 초거대 블랙홀에 관한 이론과 은하 탄생·진화 시나리오, 그리고 우주 구조 형성 모델에 커다란 이정표를 새겼다고 볼 수 있다.