완전 새로운 종류의 블랙홀 발견
완전 새로운 종류의 블랙홀 발견
  • 함예솔
  • 승인 2019.11.05 18:55
  • 조회수 2709
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천문학자들은 우리 은하계에 존재하는 모든 블랙홀의 수를 파악하려고 노력 중입니다. 블랙홀은 천문학자들이 우주를 이해하는 데 도움을 줍니다. <Science>에 게재된 새로운 연구에 따르면 그동안 천문학자들이 알지 못했던 새로운 종류의 블랙홀이 발견됐다고 하는데요. 우주에서 가장 작다고 알려진 블랙홀 보다도 더 작은 블랙홀이 존재할 수 있다는 설명입니다.

새로운 블랙홀 종류가 발견됐다고? 출처: AdobeStock
새로운 블랙홀 종류가 발견됐다고? 출처: AdobeStock

블랙홀 찾기, 왜 중요할까

 

이번 연구의 주요 저자이자 오하이오주립대학(Ohio State University ) 천문학과 교수 Todd Thompson은 "우리가 블랙홀을 찾을 때 아직 조사하지 않은 블랙홀 종류가 있다"며 "이 연구는 이에 대한 힌트를 준다"고 말했습니다. 덧붙여 Todd Thompson교수는 "사람들은 초신성 폭발과 초질량블랙홀(supermassive black stars)이 어떻게 폭발하는지 초대질량성(supermassive star)에서 어떻게 원소가 형성되는지 이해하려고 한다"며 "만약 우리가 블랙홀의 새로운 집단에 관해 밝힐 수 있다면 어떤 별이 폭발하고 어떤 별이 폭발하지 않는지, 그리고 어떤 별이 블랙홀을 형성하고 중성자별(neutron star)를 만드는지 알 수 있을 것"이라고 전했습니다. 

 

천문학자들은 오랫동안 블랙홀을 찾아다녔습니다. 블랙홀은 중력이 너무 강해서 물질도, 복사선도 빠져나갈 수 없습니다. 블랙홀은 항성이 생애를 마치며 스스로 수축해 폭발할 때 만들어집니다. 천문학자들은 또한 일부 항성이 죽어서 붕괴될 때 만들어지는 작고 밀도가 높은 중성자별을 찾기도 합니다. 왜냐하면 블랙홀과 중성자별은 지구에 있는 원소들이나 혹은 항성의 생애에 관련된 흥미로운 정보를 제공하기 때문입니다. 하지만 그 정보를 밝혀 내기 위해 천문학자들은 우선 블랙홀이 어디 있는지 알아내야 합니다. 그리고 블랙홀이 어디에 있는지 알아내려면 천문학자들이 찾고 있는 게 무엇인지 정확히 알아야 합니다. 

블랙홀. 출처: NASA/M. Helfenbein, Yale University / OPAC
블랙홀, 들여다보면 우주의 비밀이? 출처: NASA/M. Helfenbein, Yale University / OPAC

한 가지 단서는 블랙홀이 종종 쌍성계(binary system)에서 존재한다는 겁니다. 쌍성계란 두 개 이상의 별들이 쌍방의 인력에 따라 공통 무게 중심 주위를 일정한 주기로 공전하고 있는 천체를 일컫습니다. 쌍성 중 무겁고 밝은 별을 주성, 가볍고 어두운 별을 동반성이라 부릅니다. 그 별 중 하나가 죽어 블랙홀이나 중성자별이 됐더라도 또 다른 별은 여전히 죽은 별의 궤도를 머물고 있습니다. 

블랙홀을 공전하는 별의 모습(일러스트레이션)  Credit: NASA/CXC/A.Bahramian, M.Weiss
블랙홀을 공전하는 별의 모습(일러스트레이션) 출처: NASA/CXC/A.Bahramian, M.Weiss

수년 간 과학자들이 알고 있던 블랙홀은 태양 질량의 약 5배~15배 사이였습니다. 알려진 중성자 별은 일반적으로 태양 질량의 약 2.1배보다 크지 않았습니다. 만약 중성자별이 태양 질량의 2.5배 이상 크면 블랙홀로 붕괴될 겁니다. 

두 개의 블랙홀이 춤춘다~~ 출처: NASA
두 개의 블랙홀 이미지. 출처: NASA

그러던 2017년 여름, 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 약 180만 광년 떨어진 은하에서 두 개의 블랙홀이 합쳐지는 현상을 관측했습니다. 그 중 하나의 블랙홀은 태양 질량의 약 31배였고 다른 하나는 태양 질량의 약 25배였습니다. 이 연구가 사람들을 놀라게 한 건 연구 자체도 그랬지만 블랙홀의 매우 큰 질량 때문이기도 했습니다. 전에는 이렇게 크기가 큰 블랙홀을 감지한 적이 없었기 때문입니다. 

 

Todd Thompson 교수와 다른 천문학자들은 오랫동안 알려진 크기의 범주에서 벗어난 블랙홀이 존재할지도 모른다고 추측해왔습니다. LIGO의 관측은 블랙홀이 기존에 생각했던 것보다 더 클 수 있다는 걸 증명했습니다. 그러나 가장 큰 중성자별과 가장 작은 블랙홀 사이 크기에 해당하는 블랙홀에 대해서는 알려진 바가 없었습니다. 이에 Todd Thompson 교수는 그 수수께끼를 풀기로 결심했습니다. 

 

블랙홀 궤도를 도는 별?

 

Todd Thompson교수는 뉴멕시코주에서 진행된 'APO은하진화실험(APOGEE, Apache Point Observatory Galaxic Evolution) 프로젝트'의 연구 자료를 뒤지기 시작했는데요. 이 자료는 우리 은하를 가로지르는 약 100,000개의 별들로부터 빛 스펙트럼을 수집한 것이었습니다. Todd Thompson 교수는 이 스펙트럼이 별이 다른 천체 주위를 공전하고 있는지 여부를 보여줄 수 있다는 사실을 깨닫게 됩니다.

 

스펙트럼의 변화는 보이지 않는 동반성의 궤도를 돌고 있는 별에 관한 정보를 알려주는데요. 예를 들어 더 청색의 파장으로 변한 뒤 뒤이어 더 적색의 파장으로 변하는 겁니다. Todd Thompson 교수는 이러한 변화를 보여주는 별을 찾아 데이터를 샅샅이 뒤졌고 결국, 이 별들이 블랙홀의 궤도를 돌고 있을지도 모른다는 사실을 밝혀냅니다. 

블랙홀 돌고있는 적색거성? 출처: NASA/JPL-Caltech
블랙홀 돌고 있는 적색거성? 출처: NASA/JPL-Caltech

이후 그는 APOGE 데이터에서 200개의 별을 추려냈습니다. 이 별들은 매우 흥미로운 특징을 가지고 있었습니다. 그는 이 데이터를 오하이오주립대학교의 보조연구원 Tharindu Jayasinghe에게 넘겼는데요. 그는 '초신성 전천 자동탐색(ASAS-SN)'에 포착된 쌍성계의 이미지 수천 개를 수집했습니다. 참고로 초신성 전천 자동탐색(ASAS-SN)은 약 1,000개의 초신성을 발견했습니다. 대량의 데이터를 고속처리한 결과 연구진은 적색거성(giant red star)이 어떤 천체의 궤도를 돌고 있는 것을 발견했습니다. 하지만 연구진의 계산에 따르면 그 천체는 우리 은하계에 알려진 블랙홀의 크기보다 훨씬 작았습니다. 그런데 알려진 대부분의 중성자 별들보다는 훨씬 더 컸습니다.

 

이후 TRES Spectrograph와 Gaia 위성으로부터 데이터를 얻고 더 많은 계산을 한 결과 연구진은 이 블랙홀의 질량이 태양 질량의 약 3.3배에 달하는 저질량의 블랙홀(low-mass black hole)이란 걸 밝혀냈습니다. Todd Thompson 교수는 "이번 연구에서 한 일은 새로운 블랙홀을 찾는 방법을 고안해 낸 것이지만, 천문학자들이 이전에 알지 못했던 새로운 종류의 질량이 작은 블랙홀을 잠재적으로 규명하기도 했다"고 전했습니다. 

 


##참고자료##

 

 


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