퀘이사 피드백 — 은하의 별 생성을 멈추는 블랙홀

1.다 자란 은하는 왜 더 커지지 않을까

먼저 이상한 점 하나를 짚어야 한다. 은하는 차가운 가스를 재료로 별을 빚는다. 가스가 식어 뭉치면 그 안에서 새 별이 태어난다. 그렇다면 가스가 많은 큰 은하일수록 별을 쉼 없이 찍어 내야 마땅하다. 단순하게 계산하면, 무거운 은하들은 지금보다 몇 배는 더 크고, 갓 태어난 별로 시퍼렇게 빛나고 있어야 한다. 그런데 실제 하늘은 그렇지 않다. 우주에서 가장 무거운 은하들은 오히려 늙고 붉다. 새 별을 만들기를 오래전에 그만둔, 조용한 은하들이다. 젊고 시퍼런 별이 드물다는 것은, 새 별의 공급이 어느 시점에 뚝 끊겼다는 뜻이다. 마치 한창 돌아가던 공장이 어느 날 갑자기 셔터를 내린 것처럼.

이론과 관측이 이렇게 어긋나면 무언가가 빠진 것이다. 계산대로라면 계속 식어 별이 되었어야 할 가스가, 어느 순간 데워지거나 바깥으로 쓸려 나가 별의 재료에서 빠져 버린 것이다. 마치 반죽은 잔뜩 있는데 누군가 오븐의 불을 꺼 버린 상황과 같다. 큰 은하일수록 이 제동이 더 확실하게 걸려 있다. 별을 만들 재료가 있는데도, 누군가 그것을 쓰지 못하도록 막고 서 있는 것이다. 도대체 무엇이 이 거대한 은하의 살림을 대신 관리하는 걸까.

단서는 엉뚱한 곳에서 나왔다. 은하 중심에 자리한 거대 블랙홀의 무게를 재어 보니, 그 무게가 은하의 별들이 움직이는 속도와 정확히 발맞추고 있었다. 블랙홀은 은하 전체에 견주면 티끌이다. 은하가 도시라면 블랙홀은 그 한복판의 작은 우체통쯤 된다. 그렇게 작은 것이 어떻게 도시 전체의 규모를 알고, 그 규모에 제 몸집을 맞추는 걸까. 블랙홀과 은하는 서로 멀찍이 떨어져 있는데도, 마치 한 끈에 묶인 듯 나란히 자라 있었다. 이 뜻밖의 짝을 설명하려면, 둘 사이에 오가는 어떤 대화가 있어야 했다. 그 심장이 어떤 존재인지 먼저 알고 싶다면 퀘이사란 무엇일까 편이 좋은 길잡이가 된다.

2.블랙홀이 뱉는 입김 — 퀘이사 모드

그 대화의 정체가 바로 피드백이다. 블랙홀은 주변의 가스를 끌어당겨 삼킨다. 삼켜지는 가스는 블랙홀 둘레에서 소용돌이치며 수백만 도로 달아오르고, 은하 전체보다 밝은 빛을 뿜는다. 이 눈부신 상태가 퀘이사다. 그런데 이 빛과 열은 그냥 새어 나가기만 하는 것이 아니다. 어마어마한 복사와 바람이 되어, 블랙홀을 둘러싼 가스를 사방으로 거세게 밀어낸다. 삼키느라 밝아진 그 빛이, 도리어 주변의 가스를 통째로 쓸어내는 것이다.

2005년 티지아나 디 마테오와 두 동료는 은하 두 개가 충돌해 합쳐지는 과정을 컴퓨터 속에서 통째로 재현해 보았다. 충돌은 은하의 가스를 중심으로 쏟아붓고, 그 가스는 블랙홀을 살찌워 맹렬한 퀘이사로 타오르게 한다. 여기까지는 예상대로다. 놀라운 것은 그다음이다. 타오른 퀘이사가 내뿜은 에너지가, 자신을 먹여 살리던 바로 그 가스를 바깥으로 날려 버렸다. 밥상을 걷어차 버린 셈이다. 그러자 별을 만들 재료도, 블랙홀이 더 먹을 몫도 한꺼번에 사라졌다. 폭발적으로 태어나던 별들이 멎고, 블랙홀의 성장도 스스로 멈췄다.

더 흥미로운 대목이 있다. 이 모의실험에서 퀘이사가 내놓는 에너지 가운데 아주 작은 몫, 겨우 몇 퍼센트만 주변 가스에 전달되도록 설정해도 결과가 맞아떨어졌다는 점이다. 블랙홀이 쏟아 내는 힘이 그만큼 압도적이어서, 제 무게에 견주면 보잘것없는 몫만 곁으로 흘려보내도 은하 하나가 오랜 세월 애써 그러모은 가스를 통째로 흩어 놓기에 부족함이 없다는 뜻이다. 규모의 차원이 다르다. 실제 하늘에서도 이런 장면이 잡힌다. 어떤 퀘이사 둘레에서는 가스가 초속 수백에서 수천 킬로미터로 은하 밖까지 쏟아져 나가는 거대한 분출류가 관측된다. 은하가 애써 모아 둔 별의 재료가, 블랙홀의 입김 한 번에 우주 공간으로 흩어지는 것이다. 이 난폭한 밀어내기를 천문학자들은 퀘이사 모드, 혹은 복사 모드 피드백이라 부른다.

3.스스로를 멈추는 저울 — 공진화

피드백에는 한 가지 얼굴이 더 있다. 퀘이사가 잦아든 나이 든 은하, 특히 거대한 타원은하의 중심에서는 블랙홀이 가느다란 제트를 내뿜는다. 이 제트는 은하를 둘러싼 뜨거운 가스에 커다란 거품을 불어넣는다. 거품이 가스를 계속 데워 놓는 덕에, 그 가스는 식어 별이 될 기회를 얻지 못한다. 앞의 퀘이사 모드가 가스를 단숨에 밀어내는 폭풍이라면, 이 제트 모드는 냄비 밑불을 은근히 계속 때 놓아 국이 끓어 넘치지 못하게 하는 쪽에 가깝다. 2012년 앤드루 페이비언은 이런 두 얼굴의 증거를 하나하나 모아, 블랙홀의 피드백이 실제로 은하의 살림을 쥐고 있음을 정리해 보였다. 이 제트가 어떻게 태어나는지가 궁금하다면 퀘이사 제트는 왜 빛의 속도에 가까울까 편에서 이어 볼 수 있다.

이제 처음의 수수께끼로 돌아가 보자. 블랙홀은 왜 은하의 크기에 제 몸집을 맞추는 걸까. 답은 피드백 그 자체에 있다. 블랙홀이 가스를 먹고 자라 밝아지면, 그 빛이 주변 가스를 날려 버린다. 그러면 블랙홀은 더 먹을 것이 없어 자라기를 멈춘다. 은하도 별의 재료를 잃어 새 별 빚기를 접는다. 블랙홀은 딱 주변 가스를 날려 버릴 만큼 자라면, 바로 그 순간 스스로 저녁상을 치워 버리는 셈이다. 그래서 블랙홀의 최종 무게는 은하의 규모에 정확히 붙들려 있다. 겨울밤의 보일러가 방을 설정 온도에 딱 붙들어 두듯이 말이다.

이것이 블랙홀과 은하가 한 끈에 묶여 나란히 자라는 이유다. 천문학자들은 이 나란한 성장을 공진화라 부른다. 둘은 서로 멀찍이 떨어져 있다. 그런데도 피드백이라는 보이지 않는 끈으로 끊임없이 신호를 주고받으며, 같은 걸음으로 자라다 끝내 같은 자리에서 함께 멎는다. 작은 우체통이 도시 전체의 규모를 아는 것처럼 보였던 까닭이 여기에 있다. 우체통이 도시의 크기를 헤아린 것은 아니었다. 그저 우체통과 도시가 처음부터 같은 리듬에 맞춰 자라도록 조율되어 있었을 뿐이다. 가장 작은 것과 가장 큰 것이, 파괴처럼 보이는 힘을 빌려 서로의 크기를 정한다. 이 블랙홀과 퀘이사가 어떻게 다른 얼굴인지는 퀘이사와 블랙홀은 뭐가 다를까 편에서 짚어 볼 수 있다.

4.멈춤도 하나의 창조다

퀘이사 피드백이 우리에게 건네는 이야기는 결국 한 문장으로 모인다. 무언가를 삼키기만 할 것 같던 존재가, 실은 은하가 스스로를 다스리도록 돕고 있었다는 것이다. 은하는 제 손으로 브레이크를 밟지 못한다. 그 궂은일을, 한복판에 웅크린 블랙홀이 대신 도맡는다. 만드는 힘만이 창조가 아니다. 넘치려는 것을 제때 멈추는 것도, 못지않은 창조다.

밤하늘의 거대한 타원은하는 새 별을 거의 만들지 않는 조용한 은하다. 얼핏 다 늙어 활기를 잃은 것처럼 보인다. 하지만 그 고요는 아무 일도 없어서 찾아온 고요가 아니다. 오래전 그 중심에서 벌어진 맹렬한 폭풍이, 넘치려던 별의 향연에 스스로 마침표를 찍어 얻어 낸 균형이다. 지금의 잔잔함은 한때의 사나움이 치른 값이다. 멈출 줄 아는 힘이 있었기에, 그 은하는 지금의 모습으로 남을 수 있었다.

삼키는 힘이 곧, 멈추는 힘이 된다.

우주에서 가장 어둡다는 블랙홀조차, 삼키는 힘으로 은하의 브레이크가 된다. 넘치지 않으려 스스로를 멈추는 그 조용한 규율은, 어쩌면 온 우주에 가장 흔한 성숙의 방식인지도 모른다. 그러니 언젠가 당신이 다 자라 더는 크지 않는 무언가를 마주할 때, 그것을 멈춰 선 것이라 여기지 않아도 좋겠다. 그것은 제 안의 폭풍을 다스려 알맞은 크기에 이른, 당신만의 완성된 균형일지 모른다. 우리는 모두 그렇게, 한 번쯤은 제 안의 퀘이사를 달래며 자란다.

§참고한 자료

이 글의 사실은 아래 1차 문헌(원논문)과 리뷰에 근거합니다. 위키백과·보도자료가 인용하는 원출처까지 함께 밝혀 둡니다.