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우리은하(Milky Way) 중심의 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*(Sgr A*)를 지금까지 알려진 어떤 별보다 가까이 공전하면서 우리은하에서 가장 빠른 속도로 움직이는 별이 발견됐다.

우리은하 중심부의 초대질량 블랙홀 궁수자리 A*를 공전하는 별 'S301'. 우리은하(Milky Way) 중심부에 있는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*(Sgr A*) 주위를 8.7년 주기로 공전하는 별 'S301'의 초대형망원경(VLT) 이미지. ⓒESO/GRAVITY collaboration 제공

독일 막스 플랑크 외계물리학 연구소(MPE) 스테판 길레센 박사 등 '그래비티+ 공동연구팀'(GRAVITY+ Collaboration)은 20일 과학 저널 네이처(Nature)에서 유럽남방천문대(ESO) 초대형망원경 간섭계(VLTI)로 우리은하 중심의 초대질량 블랙홀 궁수자리 A*(Sgr A*)를 공전하는 별 'S301'을 발견했다며 이같이 밝혔다.

분석 결과 S301은 질량이 태양의 약 1.1~1.5배이고 밝기는 태양의 약 5.5배인 F형 주계열성으로 추정됐으며, 궁수자리 A* 블랙홀을 한 바퀴 도는 데 약 8.7년이 걸려 지금까지 알려진 이 블랙홀 주변 별 가운데 공전주기가 가장 짧다.

특히 S301의 공전궤도는 매우 길쭉해 이심률이 약 0.98이고, 블랙홀에 가장 근접할 때 실제 거리가 지구-태양의 약 12배인 17억㎞에 불과하며, 이때 이동 속도는 빛 속도의 약 8.3~8.5%인 초속 2만5천~2만5천600㎞에 달하는 것으로 분석됐다.

노벨상 수상자인 라인하르트 겐첼 MPE 소장은 이 연구에 대해 "수십 년 동안 우리은하 중심 블랙홀을 공전하는 별들을 추적한 것이 S301별 발견으로 이어졌다"며 "이 별은 궁수자리 A* 블랙홀을 매우 가까이 공전하기 때문에 극단적인 블랙홀 환경에서 시공간의 근본 특성을 연구할 수 있는 새 창을 열어준다"고 말했다.

S301은 2023년 봄 유럽남방천문대(ESO)의 초대형망원경 간섭계(VLTI)에 설치된 근적외선 간섭계 장비인 그래비티(GRAVITY)에 궁수자리 A* 블랙홀에서 약 15밀리초각(약 124천문단위·185억㎞) 떨어진 위치에서 처음 포착됐다.

연구팀은 이후 GRAVITY와 이를 업그레이드한 그래비티+(GRAVITY+)로 2024년과 2025년 S301의 운동을 추가로 관측했다. 또 기존 자료를 재분석해 2021·2017년 관측 자료에서도 S301의 흔적을 찾아냈으며 K밴드 겉보기등급은 19.3으로 측정됐다.

연구팀은 S301의 위치가 태양 질량의 400만배에 달하는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*의 강한 조석력 때문에 별이 형성되기 어려울 정도로 가깝다는 점을 고려할 때 이 별이 블랙홀 주변에서 만들어졌을 가능성은 작다고 설명했다.

대신 원래 가까이 붙어 있던 쌍성계가 궁수자리 A* 블랙홀에 접근하면서 조석력으로 두 별이 갈라졌고, 그중 S301이 블랙홀에 붙잡혔다는 '힐스 메커니즘'(Hills mechanism)을 가장 자연스러운 기원으로 제시했다.

회전하는 블랙홀이 S301 별의 궤도에 미치는 영향. 일반상대성이론에 따르면 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 함께 끌고 가면서 비틀고, 이는 주변 별들의 궤도에 영향을 미친다. ⓒESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada 제공

연구팀은 S301의 중요성은 단순히 우리은하에서 가장 빠른 별을 발견했다는 데 있지 않다며 S301은 회전하는 블랙홀이 주변 시공간을 끌고 가면서 별의 궤도에 남기는 효과를 향후 직접 측정할 수 있는 유력한 천체라는 점에서 중요하다고 말했다.

천문학자들은 우주의 대부분 천체와 마찬가지로 궁수자리 A* 블랙홀도 회전할 것으로 예측하고 있으며, 일반상대성이론에 따르면 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 함께 끌고 가면서 비틀고, 이는 주변 별들의 궤도에 영향을 미친다.

연구팀은 다만 이번 관측만으로 궁수자리 A*의 회전을 측정한 것은 아니라며 향후 S301의 위치와 속도를 장기간 정밀하게 추적해 블랙홀 회전에 따른 궤도 변화를 측정할 계획이다.

연구팀은 S301의 근접점 거리가 매우 작아 기존·차세대 장비를 이용하면 약 10년 안에 궁수자리 A* 블랙홀의 회전이 별의 궤도에 남기는 효과를 측정할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

논문 공동 교신저자인 MPE 슈테판 길레센 박사는 블랙홀 회전 효과는 블랙홀 가까이에서 빠르게 공전하는 천체에서 더 강하게 나타난다며 "S301을 이용하면 거대한 블랙홀의 회전을 처음으로 직접 측정할 수 있게 될 것이며, 이는 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는 중요한 시험이 될 것"이라고 말했다.

◆ 출처 : Nature, Stefan Gillessen et al., Discovery of a star sensitive to the spin of Sagittarius A*, https://www.nature.com/articles/s41586-026-10894-w