지구에서 가장 가까운 블랙홀 발견

1000 광년 떨어진 곳에 위치

천문학자들이 지구에서 가장 가까운 블랙홀을 발견했다. 놀랍게도 이 블랙홀은 지구 남반부에서는 밤중에 육안으로도 관찰이 가능한 별과 함께 있다고 과학자들이 밝혔다.

유럽 남부 천문대(ESO)는 지구에서 불과 1000광년 떨어진 곳에 있는 블랙홀을 발견했다고 ‘천문학& 천체물리학'(Astronomy & Astrophysics) 저널에 발표했다.

이 블랙홀은 현재까지 발견된 어느 블랙홀 보다 우리 태양계에 가장 가깝다. 게다가 육안으로 볼 수 있는 3중계의 일부를 형성한다. 연구팀은 칠레에 있는 ESO의 라 신라(La Silla) 천문대에서 MPG/ESO 2.2m 망원경을 이용해 같이 움직이는 두 개의 별을 추적하다가, 보이지 않는 물체에 대한 증거를 찾아냈다. 블랙홀이었다.

2개의 별이 블랙홀을 중심으로 돌고 있는 모습을 예술적으로 표현한 상상도 ⓒESO/L. Calçada

ESO 과학자 토마스 리비니우스(Thomas Rivinius)는 이번 발견이 빙산의 일각이라고 말했다. 더 많은 유사한 블랙홀이 발견될 수 있기 때문이다.

이 논문의 공동 저자인 체코 과학 아카데미의 페트르 하드라바(Petr Hadrava)는 “우리는 이것이 도움받지 않는 눈으로 볼 수 있는 블랙홀을 가진 최초의 항성계라는 것을 깨닫고 매우 놀랐다”고 말했다.

텔레스코피움 (Telescopium) 별자리에 위치한 HR 6819 항성계는 쌍안경이나 망원경 없이도 어둡고 맑은 밤에는 남반구에서 맨눈으로 볼 수 있다. “이 천체 시스템은 지금까지 알려진 어떤 블랙홀보다 지구에서 가장 가까운 블랙홀을 포함하고 있다”고 리비니우스는 말했다.

X선 방출하지 않는 조용한 블랙홀

연구팀은 원래 2개 별이 모여있는 천체에 대한 연구를 하기 위해 관찰했다. 그러나 연구팀이 관찰 자료를 분석하면서 HR 6819에서 이전에 발견되지 않았던 세 번째 존재, 즉 블랙홀을 발견하고 깜짝 놀랐다. 라 신라의 MPG/ESO 2.2m 망원경에서 FEROS 분광기를 사용해서 관측하니 두 개의 별 중 한 개가 40일마다 보이지 않는 물체를 공전하는 반면, 두 번째 별은 첫 번째 별에서 꽤 먼 거리에 있었다.

이 연구의 공동 저자인 디트리히 바에드(Dietrich Baade)는 “공전주기가 40일이라는 기간을 확인하려면 수개월 동안 관찰해야 한다”고 말했다. 이는 ESO 직원들이 과학자들을 대신하여 관찰하는 서비스를 제공해서 가능했다.

HR 6819의 숨겨진 블랙홀은 주변 환경과 격렬하게 상호작용을 하지 않기 때문에 진짜 검은색으로 보이는 ‘항성질량 블랙홀’(stellar-mass black hole)중 하나이다. 항성질량 블랙홀은 무거운 별의 마지막 생애에서 중력붕괴로 인해 생성된 블랙홀이다.

연구팀은 이 천체 시스템 안에 있는 2개의 별의 궤도를 연구함으로써 블랙홀을 발견하고 질량을 계산할 수 있었다. 리비니우스는 “태양의 최소 4배 이상의 질량을 가진 보이지 않는 물체는 블랙홀일 수밖에 없다”고 결론을 지었다.

천문학자들은 지금까지 우리 은하에서 수십 개의 블랙홀을 발견했다. 이 중 거의 대부분의 블랙홀은 주변 환경과 강하게 상호작용하는 과정에서 강력한 X선을 방출함으로써 블랙홀의 존재를 알려준다.

그러나 과학자들은 우리 은하에 있는 더 많은 별들이 삶을 마감하면서 블랙홀로 붕괴되었다고 추정한다. HR 6819에 있는 것 같은 조용하고 보이지 않는 블랙홀의 발견은 우리 은하에 숨겨진 많은 블랙홀들이 어디에 있을지에 대한 단서를 제공한다.

우리 은하에 수 억 개 블랙홀 있을 듯

리비니우스는 “우리 은하에는 수억 개의 블랙홀이 있을 텐데, 우리는 극소수만 알고 있다. 무엇을 찾아야 할지를 아는 것은 블랙홀을 찾을 수 있는 더 좋은 위치에 놓이게 할 것”이라고 말했다.

이미 천문학자들은 두 번째 천체에서 블랙홀이 존재할 것으로 추정하고 있다. “LB-1이라고 불리는 또 다른 시스템도 확실히 말하기 위해서는 더 많은 관찰이 필요하겠지만, 블랙홀을 가진 3중계일 수 있다”고 논문의 공동 저자인 마리안 헤이다(Marianne Heida)가 말했다.

지난해 사상 처음으로 사진촬영한 블랙홀의 모습. Messier 87 은하 중심에 있는 거대 블랙홀이다. ⓒ 위키피디아

이번 발견은 우주의 신비를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 블랙홀을 포함하는 3중계 시스템에서 세 개체가 상호작용하는 방법을 관찰하는 것은 다중 시스템이 어떻게 중력파를 생성하는 블랙홀이나 중성자 별 충돌로 이어지는지를 이해하는 데 중요할 수 있다.

LB-1은 지구에서 조금 멀지만 천문학적인 면에서는 여전히 꽤 가깝기 때문에 아마도 더 많은 시스템이 존재한다는 것을 의미한다. 그것들을 찾아내어 연구함으로써 과학자들은 별들의 형성과 진화에 대해 많은 것을 배울 수 있을 것으로 예상한다.

3중계는 블랙홀이나 중성자 항성 합병의 전조로 제시되어 왔다. 이런 맥락에서 HR 6819는 상당히 흥미롭다. 블랙홀로 붕괴되기 위해서는 붕괴되기 전의 별이 태양보다 최소 20배 이상의 질량을 필요로 한다. 태양의 8배에서 20배 사이의 별은 붕괴하면 중성자 별을 생성한다.

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