(VLT images of the S301 star orbiting Sagittarius A* (Credit: ESO/GRAVITY collaboration))
우리 은하 중심을 포함한 대부분의 은하 중심에는 초거대 질량 블랙홀이 존재합니다. 이 거대 질량 블랙홀은 강한 중력과 강력한 제트로 은하계 전체에 영향을 미칩니다. 과학자들은 우리 은하 중심에 있는 태양 질량의 400만 배에 달하는 거대 질량 블랙홀에 대해 많은 연구를 진행했습니다.
노벨상 수상자이자 독일 가르힝에 있는 막스 플랑크 외계물리학 연구소(MPE) 소장인 라인하르트 겐젤 (Reinhard Genzel, Director at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE))과 MPE 박사 과정 학생인 펠릭스 망 (Felix Mang, PhD student at MPE)은 유럽남천문대(ESO)의 초대형 망원경 간섭계(VLTI)를 통해 우리 은하 중심에 있는 블랙홀 주위를 공전하는, 은하에서 가장 빠른 별을 발견했습니다.
S301는 우리 은라 중심 블랙홀 주위를 초속 2만 5천 킬로미터의 속도로 공전하고 있습니다. 이 별은 이전에 관측된 어떤 별보다도 블랙홀에 가장 가까이 있습니다. S301은 은하 중심 블랙홀 궁수자리 A* 주위를 지구 태양 거리의 12배 밖에 되지 않는 거리에서 공전하고 있어 공전 주기가 단 8.7년에 불과합니다.
우리 우주의 다른 대부분의 천체들처럼, 블랙홀도 자전합니다. 물론 궁수자리 A*도 자전하고 있습니다. 그런데 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 회전하는 블랙홀은 시공간을 끌어당겨 뒤틀리게 하고, 이는 주변 별들의 궤도에 영향을 미칩니다. 이러한 영향은 특히 빠르게 회전하는 블랙홀에 매우 가까이 있는 천체에서 더욱 강하게 나타납니다.
따라서 과학자들은 S301의 공전 주기와 궤도를 정확히 측정하면 지금까지 베일에 가려져 있던 우리 은하 중심 블랙홀의 자전 속도를 알아낼 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 하지만 베텔게우스(오리온자리의 주황색 별)보다 20억 배나 어둡게 보이는 S301을 관측하는 것은 쉽지 않은 도전이었습니다.
연구팀은 칠레에 있는 VLT 간섭계인 VLTI에 설치된 GRAVITY+ (GRAVITY 장비의 업그레이드 버전)를 사용했습니다. VLTI의 가장 큰 장점은 4개의 8미터 망원경에서 나오는 빛을 결합하여 단일 8미터 망원경보다 15배 높은 공간 해상도를 가진 '가상' 망원경을 만들 수 있다는 것입니다.
VLTI의 GRAVITY와 이후 GRAVITY+를 이용해 연구팀은 2023년에 S301을 관측한 후 이후 궤도를 추적해 왔습니다. 또한 S301의 궤도 변천사를 2017년까지 거슬러 올라가 분석한 결과, 중심 블랙홀에 가장 근접했던 시기는 2023년 초였음을 밝혀냈습니다.
연구팀에 따르면 블랙홀에서 이렇게 가까운 곳에서는 별이 생성될 수 없습니다. 따라서 이 별은 궁수자리 A*의 중력에 의해 끌려온 쌍성계의 두 별 중 하나로 S301은 블랙홀의 중력에 갇히게 되었고, 동반성이었던 별은 빠른 속도로 튕겨져 나가 은하계를 완전히 벗어났을 것으로 추정됩니다.
연구팀은 좀 더 자세한 정보를 얻어 미래에 은하 중심 블랙홀의 회전 속도와 상대론적 효과를 검증할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 여기에는 GRAVITY+와 차세대 초거대 망원경(ELT)에 탑재될 MICADO 장비를 사용할 예정입니다. 특히 이 장비들은 2031년 S301이 지구에 가장 가까이 접근할 때 관측에 사용될 예정입니다. S301의 궤도를 최소 두 번 완전히 관측하면 궤적을 충분히 정밀하게 파악할 수 있어 궁수자리 A*의 자전을 처음으로 직접 측정할 수 있게 됩니다.
2031년 관측 결과를 기대합니다. 아래는 블랙홀에 대해 설명하는 제 영상입니다.
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