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궁수자리 A* 바로 옆에서 중간 블랙홀의 증거 발견

은하수 중심에 있는 두 번째 블랙홀?
궁수자리 A* 바로 옆에서 중간 블랙홀의 증거를 발견했다.

보이지 않는 동반자? 두 번째 블랙홀은 우리 은하계 중심에 숨어 있을 수 있으며, 천문학자들이 보고한 바와 같이 희귀한 중간 블랙홀 중 하나다. 이에 대한 증거는 중앙 블랙홀 궁수자리 A* 바로 옆에 있는 성단 IRS 13에 의해 제공됐다. 이 별들의 움직임은 눈에 보이지 않는 큰 질량이 그들을 함께 묶어서 질서 있는 궤도로 움직이게 한다는 것을 암시한다. 엑스레이와 전파 방출도 숨겨진 블랙홀의 존재를 나타낸다. 

▲ 은하수 중심 블랙홀 근처에 더 작은 두 번째 블랙홀이 있을 수 있다. © Caltech-IPAC

모든 은하와 마찬가지로 은하수의 중심에는 초대질량 블랙홀이 있다. 그러나 궁수자리 A*는 사건의 지평선을 도는 가스와 인근 별에 미치는 영향을 통해서만 감지할 수 있다. 블랙홀의 엄청난 중력은 이 별들을 가속시키고 빛을 왜곡시킨다. 이러한 극한 조건에서는 새로운 별이 형성될 가능성이 낮다. 왜냐하면 이에 필요한 가스 구름이 즉시 찢어지기 때문이다.

궁수자리 A* 바로 근처에 있는 여러 원시별과 먼지 고치의 발견은 더욱 수수께끼다. 이 어린 별들은 블랙홀에서 불과 0.1광년에서 0.3광년 떨어져 있지만, 그들과 그들의 탄생 구름은 분명히 모든 중력 난류를 견딜 수 있었다. 그런데 왜 그럴까?

눈에 보이는 별 경로

쾰른 대학의 플로리안 파이쓰커(Florian Peißker)가 이끄는 천문학자들이 이 문제를 조사했다. 그들은 IRS 13 성단("불가능한" 원시별을 수용하는 그룹)에 있는 별의 움직임 데이터를 평가했다. 이 성단은 궁수자리 A* 바로 근처에서 가장 밀도가 높고 가장 큰 응집 구조다. Peißker는 “이 매혹적인 성단은 약 20년 전에 발견된 이후 계속해서 과학계를 놀라게 해왔다”고 말했다.

그리고 이제 IRS 13에서는 다음과 같은 놀라운 소식도 준비하고 있다. “약 50개의 별 궤도를 분석한 결과 문헌에 알려진 어떤 추세도 따르지 않는 새로운 구조가 드러났다”고 천문학자들은 보고했다. "이러한 궤도를 기반으로 우리는 IRS 14를 원반형 시스템으로 분류하는 깊게 박힌 성단의 하위 구조를 식별한다." 따라서 이 성단의 별들은 근처 블랙홀 궁수자리 A*의 영향만으로는 설명할 수 없는 질서 있는 궤도를 따른다. 게다가 성단은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 큰 것으로 밝혀졌다.

▲ 중앙 성단 IRS 13과 그 안의 별들을 조사했다. 화살표는 이동 속도를 나타낸다. © Peißker 외./천체물리학 저널, CC-by 4.0

보이지 않는 끌개(attractor)

하지만 이는 이 성단 어딘가에 성단을 하나로 묶고 별의 궤도에 영향을 미치는 무언가가 있어야 한다는 것을 의미한다. 천문학자들은 NASA의 찬드라 X선 망원경과 칠레 ALMA 천문대의 전파 망원경의 데이터로부터 이에 대한 추가 증거를 받았다. 이 데이터는 IRS 13 성단에 이온화된 가스가 보이지 않는 중심 주위를 빠른 속도로 공전하는 영역이 있음을 나타낸다.

Peißker와 그의 팀에 따르면, 그들의 결과는 약 3만 태양 질량의 블랙홀이 중간 블랙홀인 IRS 13 성단에 숨겨져 있음을 시사한다. 그 중력 효과는 성단의 별들을 하나로 묶고 훨씬 더 거대한 블랙홀 궁수자리 A*의 경쟁적 흡입력에 맞서 안정제 역할을 한다.

사실, 천문학자들이 은하계 중심에 두 번째 블랙홀이 존재한다고 가정한 것은 이번이 처음이 아니다. 이미 2019년에 한 연구팀은 궁수자리 A*가 일부 별 궤도의 이상으로 인해 더 작은 "동종同種"에 의해 궤도를 돌고 있다고 의심했다.

두 배로 흥미진진

만약 은하 중심에서 두 번째 블랙홀의 발견이 확인된다면, 이는 여러 가지 이유로 놀라운 발견이 될 것이다. 한편으로, 그러한 중간 정도의 블랙홀은 극히 드물며, 지금까지 알려진 후보는 소수에 불과하다. 현재까지 가장 잘 기록된 표본은 구상성단 오메가 센타우리(Omega Centauri)에서 최근 발견되었다.

▲ 이 전파 영상은 들뜬 수소(H30α)로부터의 복사 방출과 녹색으로 표시된 숨겨진 중간 블랙홀의 조수 반경(언덕 반경)을 보여준다. © Peißker 외./천체물리학 저널, CC-by 4.0

반면에, 이 블랙홀은 초신성에서 나온 항성 블랙홀과 은하 중심의 초거대 블랙홀 사이의 가능한 중간 형태로 여겨진다. 천문학자들은 후자가 그러한 중간 형태의 합병을 통해 성장했을 수 있다고 의심한다. 현재 IRS 13에서 발견된 블랙홀은 아직 병합되지 않은 사전 성형체의 잔재일 수 있다. Peißker는 “IRS 13은 우리 중심 블랙홀 궁수자리 A*의 성장을 위한 필수 구성 요소인 것으로 보인다”고 추측한다.

천문학자들은 이제 제임스웹 우주 망원경을 사용하고 나중에 현재 칠레에서 건설 중인 초거대 망원경(ELT)을 사용하여 IRS 13 성단과 그 안에 숨겨진 물체를 자세히 관찰할 계획이다. Peißker와 그의 동료들은 “우리는 이러한 관찰을 사용하여 이 은하단의 중간 블랙홀에 대한 가설을 테스트할 것이다”고 말했다.

참고
The Astrophysical Journal, 2024; doi: 10.3847/1538-4357/ad4098
출처: Universität zu Köln

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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