우주 이야기 1226 - 대마젤란 은하에서 발견된 항성 질량 블랙홀

 

(This artist’s impression shows what the binary system VFTS 243 might look like if we were observing it up close. The system, which is located in the Tarantula Nebula in the Large Magellanic Cloud, is composed of a hot, blue star with 25 times the Sun’s mass and a black hole, which is at least nine times the mass of the Sun. The sizes of the two binary components are not to scale: in reality, the blue star is about 200 000 times larger than the black hole. Note that the 'lensing' effect around the black hole is shown for illustration purposes only, to make this dark object more noticeable in the image. The inclination of the system means that, when looking at it from Earth, we cannot observe the black hole eclipsing the star. Credit: Credit: ESO/L. Calçada)

 

(Glowing brightly about 160 000 light-years away, the Tarantula Nebula is the most spectacular feature of the Large Magellanic Cloud, a satellite galaxy to the Milky Way. This image from VLT Survey Telescope at ESO’s Paranal Observatory in Chile shows the region and its rich surroundings in great detail. It reveals a cosmic landscape of star clusters, glowing gas clouds and the scattered remains of supernova explosions. Credit: Credit: ESO)

 과학자들이 우리 은하 밖에서 항성 질량 블랙홀을 발견했습니다. 일반적으로 무거운 별이 마지막 순간에 중성자별이나 블랙홀을 남기게 되는데, 이런 과정에서 생기는 항성 질량 블랙홀은 우주에 매우 흔할 것으로 예상됩니다. 하지만 이를 찾아내는 일은 쉽지 않습니다. 혼자 있는 블랙홀의 경우 거의 아무것도 방출하지 않기 때문입니다. 많은 물질을 흡수하며 강력한 제트를 방출하는 

 당연히 과학자들은 여러 가지 방법으로 숨어 있는 항상 질량 블랙홀을 찾기 위해 노력했습니다. 예를 들어 우연히 블랙홀이 별 빛을 가리거나 중력 렌즈 효과를 일으키는 현상을 관찰하는 것입니다. 동반성이 있는 경우 그 움직임을 파악해서 물질 흡수가 활발하지 않더라도 블랙홀의 존재를 증명할 수 있습니다. 하지만 많은 경우 블랙홀인지 아닌지 논란의 여지가 있습니다. 

 이렇게 애매한 경우를 파악해 블랙홀 경찰이라 불리는 하버드 스미스소니언 천체물리학 센터 Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA)의 과학자들은 지구에서 16만 광년 떨어진 대마젤란 은하의 타란튤라 성운 (Tarantula Nebula)에서 최초로 항성 질량 블랙홀의 증거를 확인했습니다. 

 연구팀은 유럽 남방 천문대 (ESO)의 VLT를 이용해 6년 간 관측한 결과를 토대로 VFTS 243라는 항성 질량 블랙홀을 찾아냈습니다. 이 블랙홀은 태양 질량의 9배로 태양 질량의 25배 정도인 동반성과 함께 공전하고 있습니다. 아마도 본래는 이보다 더 큰 질량을 지니고 있었으나 블랙홀이 되는 과정에서 질량 손실이 일어났을 가능성이 있습니다. 

 

(Zooming in on VFTS 243)

('Black Hole Police' Spot Extragalactic Black Hole (ESOcast 255 Light))

 거리를 생각하면 블랙홀을 직접 관측하기는 어렵지만, 보이지 않는 동반성의 공전 궤도를 생각할 때 블랙홀이 가장 합당한 결론입니다. 복수의 팀이 이 결과를 검증한 결과 블랙홀 이외의 가능성은 거의 생각할 수 없는 것으로 나타났습니다. 

 이번 연구에서 한 가지 더 흥미로운 사실은 이 블랙홀과 동반성 주변에서 폭발의 흔적을 찾을 수 없었다는 것입니다. 물론 더 자세한 연구가 필요하지만, 어쩌면 초신성 폭발 단계 없이 중력에 의한 직접 붕괴(direct-collapse)에 의해 블랙홀이 된 사례일 수 있어 과학자들의 관심을 모으고 있습니다. 

 연구팀은 이번 연구가 우리 은하와 주변 은하에서 항성 질량 블랙홀의 증거를 찾는 데 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 앞으로 계속해서 우리 은하 주변에 숨어 있는 항성 질량 블랙홀이 발견될 것으로 생각합니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2022-07-black-hole-police-dormant-milky.html

Tomer Shenar, An X-ray-quiet black hole born with a negligible kick in a massive binary within the Large Magellanic Cloud, Nature Astronomy (2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01730-y. www.nature.com/articles/s41550-022-01730-y