(This artist’s impression shows a compact black hole 11 times as massive as the Sun and the five-solar-mass star orbiting it. The two objects are located in NGC 1850, a cluster of thousands of stars roughly 160 000 light-years away in the Large Magellanic Cloud, a Milky Way neighbour. The distortion of the star’s shape is due to the strong gravitational force exerted by the black hole. Not only does the black hole’s gravitational force distort the shape of the star, but it also influences its orbit. By looking at these subtle orbital effects, a team of astronomers were able to infer the presence of the black hole, making it the first small black hole outside of our galaxy to be found this way. For this discovery, the team used the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument at ESO’s Very Large Telescope in Chile. Credit: ESO/M. Kornmesser)
유럽 남방 천문대 (ESO)의 과학자들이 항성 질량 블랙홀 주변 별의 움직임을 포착해 대마젤란 은하 (Large Magellanic Cloud)에서 항성 질량 블랙홀을 찾아냈습니다. 지구에서 16만 광년 떨어진 위치에 있는 NGC 1850 성단에 있는 블랙홀은 이런 방식으로는 처음 포착된 외부 은하 블랙홀입니다.
NGC 1850는 생성된 지 1억 년 밖에 되지 않는 아주 젊은 성단으로 수천 개의 젊은 별로 이뤄져 있습니다. 하지만 태양 질량의 수십 배에 달하는 별은 1억 년보다 수명이 짧기 때문에 연료를 빨리 소진하고 초신성 폭발과 함께 생을 마감합니다. 남는 것은 중성자별과 항성 질량 블랙홀입니다. 따라서 이론적으로는 블랙홀이 숨어 있다는 것을 예측할 수 있으나 이를 실제로 검증하기는 어려웠습니다.
현재 블랙홀의 존재를 증명하고 관측하는 가장 일반적인 방법은 블랙홀의 강력한 제트를 관측하는 것입니다. 주로 은하 중심 블랙홀처럼 흡수하는 물질이 많거나 항성 질량 블랙홀이라도 동반성에서 많은 물질을 흡수하는 경우입니다. 블랙홀로 너무 많은 물질이 들어가면 상당수는 블랙홀로 빨려들어가는 대신 제트의 형태로 분출되기 때문에 망원경으로 관측이 가능한 것입니다.
하지만 물질을 흡수하지 않는 블랙홀이 있다면 그때부터는 매우 관측이 어려울 수밖에 없습니다. 그야말로 우주의 검은 구멍으로 빛도 빠져나오지 못하기 때문입니다. 리버풀 존 무어스 대학의 사라 사라시노(Sara Saracino from the Astrophysics Research Institute of Liverpool John Moores University)와 그 동료들은 직접 블랙홀을 관측하는 대신 블랙홀의 중력을 검증하는 방식으로 숨어 있는 블랙홀을 조사했습니다. 성단 안에는 수천 개의 별이 가까이 붙어 있기 때문에 블랙홀이 가까운 별의 움직임에 영향을 줄 수 있다는 점에 착안했습니다.
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그 결과 연구팀은 태양 질량의 11배 정도 되는 블랙홀 주변을 태양 질량의 5배 정도 되는 별이 공전하고 있는 모습을 포착했습니다. 그런데 사실 수천 개의 별이 모인 성단에서 각각의 별의 움직임을 분류하는 일은 말처럼 쉬운 것이 아닙니다. 이 연구가 가능했던 비결은 ESO의 VLT 망원경에 설치된 Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) 장치 덕분입니다. MUSE는 각각의 별의 스펙트럼과 도플러 효과를 조사해 다른 관측 장비보다 10배 빠르게 움직임을 포착할 수 있습니다. 덕분에 물질을 흡수하진 않지만 중력을 행사하는 블랙홀을 찾아낸 것입니다.
연구팀은 이 방법이 앞으로 숨어 있는 블랙홀을 찾아낼 때 유용하게 쓰일 것으로 기대하고 있습니다. 과학자들은 수많은 항성 질량 블랙홀이 우주 여기 저기에 숨이 있다고 보고 있습니다. 앞으로 여러 가지 방법을 통해 이들을 밝혀낸다면 블랙홀의 진짜 모습에 대해서 더 많은 것을 알아낼 수 있을 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2021-11-black-hole-star-cluster-galaxy.html
S Saracino et al, A black hole detected in the young massive LMC cluster NGC 1850, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab3159
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