블랙홀의 ‘피드백’은 별 형성을 끄기만 할까… 9개 은하가 보여준 다른 그림

활발히 물질을 흡수하는 초대질량 블랙홀은 별 형성을 단순히 ‘죽이는’ 존재가 아닐 수 있다는 결과가 나왔다. 페이신 주(Peixin Zhu) 연구팀이 인근 2형 세이퍼트 은하 9개를 분석한 결과, 블랙홀 활동과 가스 유출, 충격파, 별 형성은 서로 떨어진 현상이 아니라 일정한 공간적 패턴을 이루며 함께 나타났다. 이는 블랙홀이 은하의 가스를 재배치하고 압축해 별 형성과 공존하거나, 일부 경우 새 별의 탄생에 기여할 가능성을 시사한다. 12

서로 섞인 신호를 어떻게 구분했나

연구진은 유럽남방천문대(ESO) 초거대망원경(VLT)의 MUSE 적분시야분광기 관측 자료를 사용했다. 적분시야분광은 은하의 여러 위치에서 스펙트럼을 동시에 얻어, 어떤 영역에서 어떤 물리 과정이 일어나는지를 지도처럼 추적할 수 있는 방법이다. 12

핵심은 이론에 기반한 3차원 방출선 진단법이었다. 은하 스펙트럼에서 흔히 뒤섞이는 세 가지 원인, 즉 젊은 별이 내는 이온화 신호, 활동은하핵(AGN)의 복사에 의한 광이온화, 가스 충돌로 생기는 충격파 여기를 분리하는 데 이 방법을 적용했다. 6

NASA 찬드라 X선 관측소의 심층 X선 형태 자료도 이 분리를 뒷받침했다. 따라서 중심부에서 지도화된 구조가 단지 별 형성만의 산물이 아니라 AGN 관련 과정과 연결된다는 해석에 힘이 실렸다. 1

은하마다 반복된 구조

분석 대상 은하들에서는 다음과 같은 공통 패턴이 확인됐다.

• 별 형성은 은하 중심에서 투영 거리 약 0.8~6킬로파섹에 놓인 고리 또는 호 형태로 자주 나타났다. 2
• 이 중심부 주변의 별 형성 고리는 막대 구조가 있는 은하에서 가스가 특정 공명 영역에 쌓여 만들어졌을 가능성과 들어맞는다. 다만 연구진은 AGN의 ‘양의 피드백’, 즉 블랙홀 활동이 별 형성을 돕는 효과도 일부 기여했을 수 있다고 본다. 1
• AGN의 복사는 중심핵에서 바깥으로 뻗는 킬로파섹 규모의 원뿔형, 또는 서로 반대 방향의 쌍원뿔형 이온화 가스 영역을 비췄다. 1
• 중심핵에는 빠른 충격파가 지배적인 가스가 있었고, 그 주변에는 충격파만으로 설명되는 영역이 분포했다. 일부 은하에서는 별 형성 고리 안에서도 국지적 충격파가 발견됐다. 1
• 특히 중심의 빠른 충격파는 AGN 이온화 쌍원뿔 또는 유출과 수직에 가까운 방향으로 놓인 경우가 많았다. 1

‘수직 충격파’가 중요한 이유

이처럼 반복되는 수직 배치는 단순히 서로 무관한 구조가 시선 방향에서 겹쳐 보인 결과라기보다, 실제 물리적 상호작용을 가리킨다. AGN 또는 제트가 내보내는 에너지가 주변 성간물질에 옆방향으로 부딪혀 가스를 흔들고 압축하는 과정일 수 있다는 뜻이다.

연구진은 이 기하학적 구조가 전반적으로 제트와 성간물질의 상호작용과 부합한다고 해석했다. 제트가 약한 은하에서는 바람과 가스의 상호작용이 더 중요한 역할을 할 가능성도 제시했다. 1

‘블랙홀은 별 형성을 끈다’는 단순 모델에 던진 질문

전통적인 AGN 피드백 모델에서는 블랙홀이 주변 가스를 가열하거나 은하 밖으로 밀어내, 별을 만들 연료를 없애고 별 형성을 억제한다고 본다. 그러나 이번 연구는 그 효과가 언제나 한 방향만은 아닐 수 있음을 보여준다.

다만 이 결과를 ‘AGN이 항상 별 형성을 촉진한다’는 결론으로 확대해서는 안 된다. 연구진도 별 형성 고리의 중요한 설명으로 막대 구조에 따른 가스 공명을 유지했다. 1

그럼에도 이번 분석은 AGN이 별 형성을 억제하는지 또는 촉진하는지 판단하려면, 충격파 신호를 AGN 복사와 별 형성 신호에서 먼저 분리해야 한다는 점을 분명히 한다. 중심부 충격파는 흔하게 나타났고, 이 충격파가 가스의 상태와 분포를 바꿀 수 있기 때문이다. 1

연구진이 제시한 그림은 연결된 순환 과정에 가깝다. 가스가 블랙홀로 유입되고, AGN은 복사와 유출을 방출하며, 유출과 충격파는 은하 가스와 상호작용한다. 그 결과 가스는 흩어지거나 가열될 수도 있지만, 다른 곳에서는 재배열·압축되어 별 형성과 공존하거나 새 별 탄생에 유리한 조건을 만들 수도 있다. 1