최근 UCLA 의 천문학자들은 우리의 은하 중심에 존재하는 태양 질량의 400 만배에 달하는 거대질량 블랙홀 (Super Massive Black Hole) 주변에서 새롭게 가장 가까이 도는 별을 찾아내 이를 Science 에 발표했습니다. 우리 은하의 중심에는 다른 은하의 중심과 마찬가지로 거대 질량 블랙홀이 존재하고 있어 블랙홀과 은하계의 특징을 연구하는 과학자들의 중요한 연구 대상이었습니다.
본 연구의 공저자이자 이미 은하 중심 블랙홀에 대한 연구로 유명한 UCLA 의 안드레아 게즈 교수 (Prof. Adnrea Ghez)- NGC 및 디스커버리 채널 다큐에서 보신 분들도 있을 듯 - 는 이 새로운 발견을 통해 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 다시 검증할 수 있을 것으로 보고 큰 기대를 나타냈습니다.
현재 게즈 교수와 그의 동료들은 W.M.Keck Observatory 의 켁 (Keck) 망원경을 이용해 17 년간 우리 은하 중심을 연구해 오고 있습니다. 비록 그들이 가진 도구는 강력하지만 불행히 은하 중심으로 갈수록 많은 별과 가스에 의해 그 안쪽이 잘 보이지 않는 문제가 발생합니다. 이들은 레이저를 이용해서 가상의 별을 하늘에 만들고 이를 이용해 이미지의 흐려짐을 보정하는 적응 광학 기술을 통해 이 문제를 최대한 극복해 왔습니다.
지금까지 이들이 발견한 은하 중심 블랙홀 주변 별은 3000 개에 달하는데 그 중에서 가장 은하 중심 블랙홀에 가까운 것은 1995 년에 발견된 S0-2 였습니다. 이 별은 은하 중심을 16 년에 한번 정도로 공전하고 있고 그 다음으로 짧은 공전 주기를 가진 별은 60 년이라는 비교적 긴 주기를 가지고 있습니다. 그런데 연구팀의 L. Meyer 를 비롯한 천문학자들은 이번에 불과 11.5 년 정도의 공전 주기를 가진 새로운 별을 은하 중심 블랙홀 주변에서 발견하는데 성공했습니다. 이 별은 S0-102 로 명명되었습니다.
(은하 중심 블랙홀에 대한 아티스트 컨셉. 거대한 가스 구름이 가운데 중심 블랙을 중심으로 강착 원반이 형성되고 더 밖으로는 먼지와 가스가 뭉쳐있는 도넛 모양의 토러스라는 구조가 형성됨. Image Credit: NASA/JPL-Caltech )
(은하 중심 블랙홀 주변을 공전하는 별. 이 별들의 움직임으로부터 과학자들은 직접 관찰이 어려운 은하 중심에 태양 질량이 수백만배에 달하는 블랙홀의 존재를 추정할 수 있음. 가장 가까이 존재하는 S2 와 다른 별들의 공전 궤도가 표시되어 있는데 여기서 0.1'' 는 약 794 AU 에 달하는 길이. S2 의 관측을 통해 천문학자들은 우리 은하 중심 블랙홀의 질량이 태양의 400 만배 수준이라는 것을 알아냈다.
Inferred well-determined orbits of 6 stars around supermassive black hole candidate Sagittarius A* at the Milky Way galactic centre based on data from "SINFONI in the Galactic Center: Young Stars and Infrared Flares in the Central Light-Month" by Eisenhauer et al, The Astrophysical Journal, 628:246-259, 2005.
Note: For the comparison image, the scale is assumed to be 7940 AU/arcsecond (1" in radians × 7.94 kpc in AU) or 7.94 AU/pixel in SVG. At this scale, the distance between the Sun and Proxima Centauri (its nearest star) is 33.8 times (268 000 AU ÷ 7940 AU/arcsecond) the height of the chart.
아마도 연구가 진행되면 은하 중심 블랙홀에 너무 가까워서 이제 곧 빨려들어갈 운명에 처한 별들을 발견할 날도 있을 지 모릅니다. 그런데 왜 이것이 상대성 이론의 검증과 관련이 있는지 설명하자면 이렇습니다.
S0 - 2 (S2) 는 2018 년 경 근일점에 도달하고 S0 - 102 는 2020 년 근일점에 도달하게 됩니다. S0 - 102 가 근일점에 도달하면 그 거리는 260 AU 정도에 불과할 것으로 보입니다. 아무튼 지금부터 장기간 이 두별의 공전 궤도를 면밀히 관찰해 근일점에 도달할 무렵에 어떤 변화가 있는지를 관측한다면 우리는 일반 상대성 이론을 검증해 볼 수 있습니다. 왜냐하면 블랙홀의 강력한 중력 때문에 시공간의 왜곡이 일어날 것이고 이 별들에서 나오는 빛은 그 영향을 받아 그 경로가 변할 수 밖에 없기 때문입니다.
물론 이 별들 역시 그 엄청난 중력에 영향을 받게 됩니다. 이들은 근일점에 근접한 1 년간 공전 속도가 무려 시속 25만 마일 (시속 40 만 km) 보다 더 빨라질 것이며 궤도 역시 시공간의 뒤틀림의 영향을 받게 됩니다.
사실 이들이 지구에서 26000 광년 떨어져 있고 가스와 별들에 둘러싸인 별들이라 이를 정밀하게 관측하는 일은 그 자체로 엄청난 도전이라고 할 수 있으나 게즈 교수와 그 동료들은 지난 15 년간 이 관측기술의 정확도를 크게 끌어올리는 과업을 달성해 왔습니다. 그럼에도 근일점에서의 관측은 만만치 않은 과제라고 할 수 있습니다.
아마도 2015-2016 년 이후 건설될 대형 지상 및 우주 망원경들이 이 문제를 해결해 줄 수 있을 지 모르겠습니다. 2018 - 2020 년 사이 은하 중심부 관측은 우리에게 상당히 많은 정보를 전해 줄 가능성도 있겠죠. 향후 추가 연구를 기대해 보겠습니다.
참고
Journal Reference:
- L. Meyer, A. M. Ghez, R. Schodel, S. Yelda, A. Boehle, J. R. Lu, T. Do, M. R. Morris, E. E. Becklin, K. Matthews.The Shortest-Known-Period Star Orbiting Our Galaxy's Supermassive Black Hole. Science, 2012; 338 (6103): 84 DOI: 10.1126/science.1225506
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