(Hubble Space Telescope image of a distant star that was brightened and distorted by an invisible but very compact and heavy object between it and Earth. The compact object—estimated by UC Berkeley astronomers to be between 1.6 and 4.4 times the mass of our sun—could be a free-floating black hole, one of perhaps 200 million in the Milky Way galaxy. Credit: Image courtesy of STScI/NASA/ESA)
(Microlensing parallax πE vs. Einstein crossing time tE (left) and maximum astrometric shift δc,max (right). Points are from the PopSyCLE simulation. Contours are 1 − 2 − 3σ (39.3-86.5-98.9%) credible regions from the microlensing model fits to the five BH candidates. There are two fits for OB110462 (default weight (DW) and equal weight (EW).The OB110462 DW solution has a smaller πE than the OB110462 EW solution, and has a correspondingly more massive lens mass. Both solutions fall solidly in the NS-BH mass gap, making OB110462 the best BH-candidate. MB09260 and OB110310 are most likely white dwarfs or neutron stars, although due to uncertainty in πE and δc,max higher and lower mass lenses cannot be definitively ruled out. OB110037 and MB10364 are not BHs as they have very large πE, as well as relatively short tE and small δc,max. Credit: The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2202.01903)
블랙홀은 글자 그대로 검은 구멍이지만, 사실 우주에서 가장 밝은 천체이기도 합니다. 은하 중심 블랙홀은 막대한 물질을 흡수하면서 강력한 제트를 방출하기 때문입니다. 퀘이사는 그 극단적인 사례로 해석되고 있습니다.
하지만 흡수하는 물질 없이 혼자 떠돌아 다니는 블랙홀은 진짜 검은 구멍이기 때문에 직접 관측이 불가능합니다. 그래도 방법은 있습니다. 바로 중력 렌즈 효과를 이용하는 것입니다.
중력 렌즈는 강한 중력에 의해 빛의 경로가 휘어져 렌즈처럼 멀리 있는 천체를 밝아 보이게 만드는 것으로 이를 통해 멀리 떨어진 천체를 관측하거나 반대로 숨어 있는 천체를 확인할 수 있습니다. 물론 우리 은하에 숨어 있는 블랙홀을 연구하는 과학자들은 후자에 속합니다.
캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스의 카세이 램과 제시카 루(graduate student Casey Lam and Jessica Lu, a UC Berkeley associate professor of astronomy)가 이끄는 연구팀은 마이크로 중력 렌즈를 이용해 태양 질량의 1.6-4.4배 정도 되는 숨어 있는 천체를 확인했습니다. 질량 범위로 볼 때 혼자 떠돌아 다니는 중성자별 혹은 블랙홀인데 블랙홀의 가능성이 높습니다.
한편 허블 우주 망원경으로 연구하는 우주 망원경 과학 연구소 Space Telescope Science Institute (STScI) 팀 역시 같은 천체를 이벤트를 관측해 질량 범위를 태양의 7.1배로 추정했습니다. 이는 분명히 블랙홀에 속합니다.
OB110462는 망원경으로 관측할 수 없는 별로 거리는 2280-6260광년 사이입니다. 질량을 생각할 때 망원경으로 관측이 안될 수 없는 위치입니다. 따라서 중성자별이나 블랙홀 같은 천체이며 아마도 블랙홀일 가능성이 높습니다.
(Space Sparks Episode 16: Hubble Determines Mass of Isolated Black Hole Roaming Our Milky Way)
연구팀에 따르면 모든 마이크로 중력 렌즈 현상이 블랙홀은 아닙니다. 사실 대부분은 다른 별이나 이보다 작은 천체에 의한 것입니다. 실제 블랙홀은 마이크로 중력 렌즈 현상의 1%에 지나지 않습니다. 하지만 120일 이상 렌즈 효과가 지속되는 경우 질량을 감안할 때 블랙홀일 가능성이 40%로 올라갑니다. OB110462는 300일 이상 거의 1년 간 효과가 지속됐습니다.
과학자들은 또 다른 중력 렌즈 현상을 찾아 연구를 계속하고 있습니다. 연구팀은 우리 은하에 숨은 블랙홀이 1000만 개에서 10억 개에 달할 수 있다고 생각하고 있습니다. 어쩌면 생각보다 태양계에서 가까운 위치에 숨은 블랙홀이 있을 수도 있는 것입니다. 앞으로 여기에서 여러가지 재미있는 이야기가 나올 수 있을 것으로 생각합니다.
참고
https://phys.org/news/2022-06-astronomers-dark-free-floating-black-hole.html
Casey Lam et al, An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing, The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2202.01903
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