우주 이야기 1415 - 블랙홀의 자전 속도를 관측하다.

(Credit: CC0 Public Domain)

나사와 MIT, 그리고 다른 협력 기관의 과학자들이 블랙홀이 별을 흡수하는 과정을 관측해 자전 속도를 측정하는 데 성공했습니다. 그 속도는 매우 빠르지만 광속의 25%는 넘지 얂는 것으로 나타났습니다.

블랙홀도 우주의 다른 천체와 마찬가지로 자전을 합니다. 그리고 중성자별처럼 급격헤 축소되는 과정에서 각운동량이 보존되기 때문에 자전 속도가 극단적으로 빨라지는 경향이 있습니다.

하지만 주기적으로 에너지를 방출하는 중성자별과 달리 자전축으로 강력한 제트만 방출하는 블랙홀의 자전 속도를 측정하는 일은 매우 어려운 과제입니다. 블랙홀의 표면에 해당하는 사상의

지평면은 특징이 없는 균일한 표면이고 빛 조차도 탈출할 수 없는 공간이라 직접 관측해 자전 속도를 측정할수도 없습니다.

하지만 연구팀은 간접적으로 블랙홀의 자전을 측정할 수 있는 방법을 생각해 냈습니다. 블랙홀이 별을 흡수하는 조석 파괴 이벤트 (TDE) 과정에서 흡수하고 남은 부분은 블랙홀 주변의 물질이 모인 원반인 강착 원반에 흡수됩니다.

블랙홀 주변의 강착 원반은 블랙홀과 같은 방향으로 자전하기 때문에 이때 강착 원반이 흔들리는 주기를 계산하면 블랙홀의 자전속도를 간접 측정할 수 있습니다. 블랙홀 주변 공간은 강한 중력에 잡아당겨져 렌즈-티어링 섭동 (Lense-Thirring precession) 현상이라는 이론에 따라 움직이기 때문에 간접 측정이 가능합니다.

연구팀은 이 방법으로 나사의 NICER (Neutron star Interior Composition ExploreR) X선 망원경이 관측한 TDE인 AT2020ocn를 분석해 자전 속도가 광속의 25%이내라는 결론을 얻었습니다.

연구팀에 따르면 블랙홀의 자전 속도는 이 블랙홀이 어떻게 성장했는지 보여주는 단서가 됩니다. 만약 블랙홀이 합체를 통해 커졌다면 자전 속도는 상대적으로 빠르지 않을 것이고 주변에서 물질을 흡수하면서 커졌다면 반대로 빠를 것이기 때문입니다. 다른 블랙홀에서 자전 속도를 측정한다면 블랙홀의 성장과 진화에 대한 여러 가지 사실을 알아낼 수 있을 것입니다.

참고

https://phys.org/news/2024-05-stellar-material-astronomers-supermassive-black.html

Dheeraj Pasham, Lense–Thirring precession after a supermassive black hole disrupts a star, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07433-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07433-w

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