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우주 이야기 741 - 조용히 숨어 있는 작은 블랙홀 하나



(Astronomers using ESO's MUSE instrument on the Very Large Telescope in Chile have discovered a star in the cluster NGC 3201 that is behaving very strangely. It appears to be orbiting an invisible black hole with about four times the mass of the sun -- the first such inactive stellar-mass black hole found in a globular cluster. This important discovery impacts on our understanding of the formation of these star clusters, black holes, and the origins of gravitational wave events.This artist's impression shows how the star and its massive but invisible black hole companion may look, in the rich heart of the globular star cluster. Credit: ESO/L. Calçada)


 블랙홀 가운데서 가장 잘 연구가 된 것은 거대한 은하 중심 블랙홀입니다. 이 거대 질량 블랙홀은 태양 질량의 수백만배가 넘는 것도 드물지 않습니다. 따라서 막대한 물질을 흡수하면서 에너지를 내놓기 때문에 멀리 떨어져도 관측이 가능합니다. 


 하지만 사실 우주에는 초신성 폭발 등의 결과로 생긴 항성질량 블랙홀이 더 흔할 것입니다. 태양 질량보다 3배가 넘는 항성 질량 블랙홀의 경우 흡수하는 물질이 없을 때는 사실 거의 관측이 불가능합니다. 따라서 항성질량 블랙홀이 얼마나 흔한지는 쉽게 판단하기 어렵습니다. 그러나 종종 숨어 있는 블랙홀이 행사하는 중력을 포착할 수 있습니다. 


 유럽 남방 천문대 (ESO)의 VLT 망원경에 설치된 MUSE는 구상성단 가운데 하나인 NGC 3201에서 매우 흥미로운 사실을 발견했습니다. 구상성단은 나이든 별이 공처럼 모여서 만든 별의 집단으로 보통 수천개에서 수만 개 이상의 별이 중력으로 느슨하게 묶여 집단을 이룹니다. 우리 은하계에만 150개의 구상성단이 알려져 있습니다. 


 그런데 MUSE는 NGC 3201에서 167일을 주기로 빠르게 움직이는 별을 관측했습니다. 이 별은 태양 질량의 0.8배 정도의 평범한 별이지만, 시속 수십만km의 속도로 이동하고 있었습니다. 이는 뭔가 강력한 중력을 행사하는 천체가 있다는 이야기입니다. 과학자들은 이 별을 움직이는 천체의 질량을 태양 질량의 4.36배 정도로 추정했습니다. 이는 TOV 한계(Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit)을 넘는 것으로 이렇게 질량이 큰데도 보이지 않을 수 있는 천체는 사실 블랙홀 밖에 없습니다. 


 현재 이 블랙홀은 글자 그대로 검은 구멍으로 흡수하는 물질이 없어 직접 관측은 불가능한 수준입니다. 대신 동반성이 어느 정도 떨어진 지점에 있어 그 존재를 알 수 있을 뿐이죠. 동반성이 매우 가까이 있으면 물질을 흡수할 수 있지만, 적당한 거리에 떨어져 있어 무사한 셈입니다. 이 블랙홀 - 항성 쌍성계에 행성이 존재하는지는 모르지만, 혹시 있다면 매우 흥미로운 관측 대상이 될 것 같습니다. 


 동반성의 존재 이외에도 마이크로 중력 렌즈 같은 방법을 통해 아무것도 흡수하지 않는 항성 질량 블랙홀을 관측할 수 있는 기회는 존재합니다. 다만 그 기회가 매우 드물 뿐이죠. 그래도 앞으로 관측을 계속하면 더 많은 항성질량 블랙홀이 발견될 것입니다. 이들 역시 매우 흥미로운 관측 대상이 될 것입니다. 



 참고 


 "A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201", by B. Giesers et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.


Research paper (PDF): www.eso.org/public/archives/re … eso1802/eso1802a.pdf

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