3'00" 읽기
- 우리 은하에 약 2억 개 숨겨진 항성 블랙홀 있을 것으로 추정
- 가장 가까운 것은 80광년 떨어져 있어.
- 두 팀의 천문학자, 어둡고 자유롭게 떠 있는 항성 블랙홀의 모든 특성 지닌 사건 발견
- 이 떠다니는 블랙홀 초당 45km 혹은 30km 속도로 판단

최초의 떠도는 블랙홀 
렌즈 플레어가 우주에 떠 있는 고립된 항성 블랙홀을 드러낸다.

어두운 방랑자(Dark Vagabond):
천문학자들이 우주를 자유롭게 떠도는 블랙홀을 처음으로 발견했다.
약 5,100광년 떨어져 있는 별 블랙홀은 중력 렌즈 효과, 즉 배경 별의 빛을 왜곡하고 증폭시키는 중력을 통해 스스로를 벗어났다. 연구원들의 추정에 따르면 우리 은하에는 2억 개의 숨겨진 항성 블랙홀이 있을 수 있으며 가장 가까운 블랙홀은 약 80광년 떨어져 있을 수 있다. 

▲ 천문학자들은 처음으로 은하수를 배회하는 별 블랙홀을 발견했다. © FECYT, IAC

무거운 별이 특정 질량 이상의 초신성에서 폭발할 때, 그 핵심은 블랙홀로 붕괴된다. 우주에 있는 엄청난 수의 거대한 별을 감안할 때 우리 은하에만 수백 만 개의 그러한 항성 블랙홀이 있어야 한다. 그러나 그들은 모든 방사선을 흡수하기 때문에 어둡고 보이지 않는다.

지금까지는 다른 물체와의 상호작용을 통해 자신을 드러내는 블랙홀만 추적했다. 여기에는 충돌할 때 중력파를 방출하는 블랙홀이나 중력으로 인해 파트너 별의 움직임을 바꾸는 블랙홀이 포함된다. 몇 년 전 연구자들은 초신성 잔해에서 자유롭게 떠다니는 블랙홀을 발견했을지 모르지만 확인된 바는 없다.

검색 도우미로서의 중력 렌즈 효과

최근 처음으로 천문학자들은 고립된 항성 블랙홀의 위치를 ​​파악하고 그 질량을 결정했다. 이것은 허블 우주 망원경의 동일한 데이터를 독립적으로 평가한 두 연구팀에 의해 달성됐다. 초점은 소위 마이크로렌즈 현상(전경 물체의 중력으로 인한 먼 별의 빛의 왜곡 및 증폭)에 있었다.

이러한 중력 렌즈 효과는 원칙적으로 외계 행성에서 전체 은하에 이르기까지 모든 거대한 물체에 의해 발생할 수 있다. 항성 블랙홀은 국부적이지만 200일 이상 지속되는 렌즈 효과를 촉발해 스스로를 포기한. 즉 블랙홀 자체는 빛을 방출하지 않기 때문에 배경 별의 밝은 색상은 변경되지 않는다. 반면에 무거운 별을 렌즈로 사용하면 둘의 빛이 혼합된다.

연구를 위해 버클리의 캘리포니아 대학의 케이시 램Casey Lam이 이끄는 팀과 볼티모어의 우주 망원경 과학 연구소의 카일라시 사후Kailash Sahu가 이끄는 팀은 허블 우주 망원경이 감지한 여러 미세 렌즈 현상을 평가해 지속 시간을 평가했다. 빛 스펙트럼과 배경 별의 겉보기 이동이 분석됐다.

▲ Microlensing: 렌즈 효과의 지속 시간과 배경 별의 겉보기 변위의 크기는 앞에 있는 물체의 질량과 특성을 나타낸다. © NASA/ESA, STScI, Joseph Olmsted

약 5,100광년 떨어진 곳에서 수상한 사건

두 팀의 천문학자들은 어둡고 자유롭게 떠 있는 항성 블랙홀의 모든 특성을 지닌 사건을 발견했다. 약 1만9000광년 떨어진 배경 별의 빛이 270일 이상 증폭되고 왜곡되었다. Lam과 그녀의 팀의 추정에 따르면 전경 물체인 중력 렌즈는 2,280~6,260광년 떨어져 있으며 Sahu와 그의 동료들은 5,153광년에서 약간 더 정확한 값을 설정했다.

이 보이지 않지만 거대한 물체는 정말로 블랙홀이었을까?

이를 알아내기 위해 천문학자들은 전경 물체가 배경 별의 겉보기 위치를 얼마나 많이 이동시켰는지 정확하게 알려주는 정교한 천체 측정을 ​​수행해야 했다. 허블 망원경의 예리한 "눈"과 몇 년 간의 반복된 관찰 덕분에 그들은 로스앤젤레스에서 뉴욕의 1센트 동전 너비인 약 1밀리아크초의 이동을 결정했다.

최초의 홀로 방황하는 암흑의 별 유물

결과:
Sahu와 그의 팀의 측정에 따르면 어두운 전경 물체의 질량은 7.1 태양 질량이다. 따라서 팀은 블랙홀임에 틀림없다고 확신했다. 천문학자들은 "우리는 고립된 항성 블랙홀에 대한 최초의 명백한 발견과 질량 결정을 보고한다"고 적었다. 이것은 큰 질량과 물체가 자체적으로 빛을 방출하지 않는다는 사실에 의해 뒷받침된다.

Lam과 그녀의 팀은 조금 더 신중하다. 그들의 측정은 1.1에서 4.4 태양 질량 사이의 질량을 제공하므로 결국 중성자별이 아니라는 것을 확실하게 배제할 수 없다. Lam의 동료인 Jessica Lu는 "이것은 중력 렌즈를 사용하여 감지된 최초의 자유 부동 블랙홀 또는 중성자별"이라고 말했다.

▲ 이 허블 이미지는 배경 별(화살표)이 앞에서 지나가는 보이지 않는 블랙홀의 결과로 처음에 더 커지고 밝아졌다가 원래의 밝기와 크기로 되돌아간 것을 보여준다. © NASA/ESA, Kailash Sahu(STScI); Joseph DePasquale (STScI)

두 팀은 또한 번거로운 이중 이름 MOA-2011-BLG-191 및 OGLE-2011-BLG-0462를 가진 "어두운" 개체가 이동하는 속도를 결정하는 데 일치하지는 않았다. Sahu와 그의 동료들은 초당 약 45km의 비교적 빠른 속도를 결정한 반면, Lam과 그녀의 팀은 보다 여유로운 초당 30km의 속도로 봤다. 이러한 편차가 어디에서 왔는지 이제 더 조사해야 한다.

"어두운" 빙산의 일각

그러나 이것이 중요한 발견이며 아마도 "어두운" 빙산의 일각에 불과하다는 데 동의했다. "그것이 무엇이든, 이 물체를 통해 우리는 동행 없이 은하계를 헤매는 최초의 암흑 항성 유물을 발견했다"라고 Lam은 말했다. 따라서 이 발견은 은하수에서 고립돼 떠돌아다니는 수백 만 개의 블랙홀이 있어야 한다는 모델을 확인 시켜 주었다.

Lam과 그녀의 팀의 계산에 따르면 은하수에는 약 2억 개의 항성 블랙홀이 있을 수 있으며 그 중 상당 부분은 고립되어 보이지 않는 방랑자다. 이 어두운 외톨이의 가장 가까운 대표자는 80광년 떨어진 곳에 숨어 있을 수 있다. "마이크로렌즈를 통해 우리는 감지할 수 없는 이러한 어두운 물체에 대한 새로운 창을 열었다"라고 Lu가 말했다.
(The Astrophysical Journal, accepted, arXiv:2201.13296; The Astrophysical Journal Letters, accepted, arXiv:2202.01903)

출처: Space Telescope Science Institute (STScI), University of California – Berkeley

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]