우주 이야기 206 - 숨어 있는 블랙홀 찾기

 지구에서 약 8500 광년 떨어진 MWC 656 이란 Be 별 (분광형 B 인 밝고 뜨거운 별로 200 km/s 이상으로 빠른 자전을 하고 있는 별) 은 매우 빠른 자전 속도로 인해 주목을 받았습니다. 그 자전 속도은 시속 100 만 km 이상인데 2010 년 부터 이를 관측해온 바르셀로나 대학의 마르크 리보 (Marc Ribo, of the Institut de Ciencies del Cosmos of Barcelona University (ICC/IEEC-UB)) 와 그의 동료들은 이 별 근처에서 가끔씩 감마선이 방출되는 것을 관측하고 사실 이 별이 쌍성계 시스템의 일부라는 사실을 알아냈습니다. 

 놀라운 것은 그 다음으로 이 별에 대한 면밀한 조사에 나선 과학자들은 이 별의 동반성이 태양 질량의 3.8 배에서 6.9 배 사이에 있다는 사실을 알게 됩니다. 그런데 이 정도 질량을 가지면서 관측을 통해 보이지 않는 천체라면 사실 한가지 가능성이 가장 유력할 수 밖에 없습니다. 그것은 블랙홀입니다. 

 태양 질량의 대략 3 배 이상인 별 (즉 TOV 한계 (Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit) 이상인 별) 은 중성자별로 있을 수 없으며 자체 중력이 너무 커져서 결국 빛도 빠져나올 수 없는 천체인 블랙홀이 될 수 밖에 없습니다. 따라서 MWC 656 은 주변에 블랙홀이 존재하며 이 블랙홀 주변을 공전하고 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 

(고속으로 공전하면서 주변으로 가스를 방출하는 Be 별의 개념도   The Be star spins at extremely high velocidad, ejecting matter through an equatorial disc. Part of this matter falls on to the black hole forming an accretion disc. (Credit: Gabriel Perez - SMM (IAC)) )

 Be 별은 아주 흔하지는 않지만 아무튼 주변에 블랙홀이 존재한다면 이를 알아낼 수 있게 하는 메카니즘이 있습니다. 일단 너무 고속으로 회전하기 때문에 주변에 적도 주변에서 가스를 주변으로 방출하게 되는 데 이는 마치 일종의 가스 디스크를 형성할 수도 있으며 더 나아가 이 가스가 동반성으로 흘러들어갈 수 있습니다. 

 이 가스가 블랙홀의 중력에 끌려 블랙홀로 빨려 들어가게 되면 블랙홀 주변에는 강착 원반 (Accretion disc) 이 형성되며 이 물질이 가열되고 블랙홀로 빨려들어가는 과정에서 초고온으로 가열되어 X 선이나 감마선 같이 아주 높은 에너지에서 나올 수 있는 전자기파가 나오게 되는 것입니다. 

 이 과정에 연속으로 이뤄진다면 계속해서 X 선 등이 방출되어 우리가 블랙홀을 찾기 쉽겠지만 만약 가끔씩 이뤄진다면 이 블랙홀들을 찾는 건 운이 좋아야 하겠죠. 이번에 Be 별과 쌍을 이룬 블랙홀의 존재가  밝혀지므로써 반드시 X 선등을 방출하지 않더라도 여기저기에서 숨어 있는 블랙홀이 있을 수 있다는 것이 입증된 셈입니다. 

 이와 같은 연구 결과는 생각보다 블랙홀과 쌍성계를 이룬 별들이 많다는 증거가 될 것입니다. 쌍성계를 이룬 항성질량 블랙홀과 아주 가까운 위치에 있는 경우 블랙홀의 강한 중력으로 인해서 동반성은 항상 물질을 빼앗기게 되고 이 경우 우리는 관측을 통해 알 수 있습니다. 반면 쌍성계를 이뤘는데 동반성과 좀 멀리 떨어진 경우 서로간의 물질 교환없이 조용이 있겠죠. 이 경우는 우리가 블랙홀을 발견할 방법이 없습니다. 물론 혼자 단독으로 있는 외톨이 블랙홀은 더 말할 것도 없겠죠.  

 Be 별 같은 특수한 경우에는 가끔씩 빨려드는 물질로 인해 알아낼 가능성도 있습니다. 이런 경우 우리는 운이 좋으면 숨어 있는 블랙홀을 발견할 수 있습니다. 앞으로 이런 운이 좋은 경우들을 발견하기 위해 과학자들은 더 Be 별들을 찾아 나설 것으로 보입니다. 아마도 연구팀은 우리 은하에만 블랙홀과 동반성을 이룬 Be 별들이 수천개에 있을 것으로 기대하고 있습니다.            

 참고  

Journal Reference:

1. J. Casares, I. Negueruela, M. Ribo, I. Ribas, J. M. Paredes, A. Herrero, S. Simon-Diaz. A Be-type star with a black-hole companion. Nature, 2014; 505 (7483): 378 DOI:10.1038/nature12916

http://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140116091100.htm

https://www-n.oca.eu/stee/page1/page3/page3.html