NASA, 로만 우주망원이 블랙홀 찾는 방법
NASA, 로만 우주망원이 블랙홀 찾는 방법
  • 함예솔
  • 승인 2021.05.11 18:00
  • 조회수 2031
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로만 우주망원경. 출처: NASA's Goddard Space Flight Center
로만 우주망원경. 출처: NASA's Goddard Space Flight Center

NASA의 낸시 그레이스 로만 우주망원경(Nancy Grace Roman Space Telescope)은 2020년대 중반 발사될 예정인데요. 적외선 우주를 향한 새로운 창을 열어줄 것으로 기대되는데요. 그 임무에 계획된 조사들 중 하나는 태양계 너머에 있는 수 천 개의 새로운 행성들을 발견하기 위해 중력의 별난 점을 이용할 것이라고 하는데요. 또한 홀로 있는 작은 블랙홀을 처음으로 확실하게 발견할 수 있는 최고의 기회를 제공할 것이라고 합니다. 태양질량의 20배가 넘는 항성이 핵연료를 소진하고 자체 무게 때문에 붕괴할 때 형성되는 이 천체들은 ‘항성질량 블랙홀(stellar-mass black holes)’이라고 알려져 있습니다.

블랙홀은 빛 조차도 그들의 손아귀에서 벗어날 수 없을 정도로 강력한 중력을 가지고 있습니다. 눈에 보이지 않기 때문에 과학자들은 블랙홀 주변 환경에 어떤 영향을 미치는지 봐야만 블랙홀을 간접적으로 발견할 수 있습니다. 태양의 수백만 배 질량을 가지는 은하 중심에서 발견되는 초거대질량 블랙홀(supermassive black holes)은 가까운 별들의 궤도를 교란시키고 때때로 눈에 보이는 결과로 별들을 찢어놓습니다.

 

하지만 천문학자들은 훨씬 더 가벼운 대부분의 항성질량 블랙홀 주변에는 아무것도 없기 때문에 그들의 존재를 귀띔해줄 만한 것이 아무것도 없다고 생각합니다. 로만 우주망원경은 우리 은하계 도처에 있는 행성들을 찾게 될 것인데, 행성의 중력이 어떻게 먼 곳에서 오는 별빛을 왜곡하는지 관찰함으로써 이러한 행성들을 찾게 될 겁니다. 항성질량 블랙홀도 같은 효과를 만들어내기 때문에 이 블랙홀들도 찾을 수 있을 겁니다. 

 

 

우주망원경 과학연구소(Space Telescope Science Institute, STScI) 천문학자 Kailash Sahu는 “천문학자들은 지금까지 은하에 있는 약 20여개의 항성 질량 블랙홀을 확인했지만 그들 모두 우리가 볼 수 있는 동반자를 가지고 있었다”며 “나를 포함한 많은 과학자들은 다른 망원경을 사용해 스스로 블랙홀을 찾기 위해 수년을 보냈다. 로만과 함께라면 드디어 가능해질 것이라는 사실이 흥미롭다”고 전합니다.

 

블랙홀이 되기까지

 

별들은 영원한 불빛처럼 보이지만, 각각의 별들은 제한된 연료를 가지고 태어납니다. 별들은 그들 삶의 대부분을 그들의 핵에 있는 수소를 헬륨으로 바꾸는데 시간을 보내며 이는 엄청난 양의 에너지를 만들어냅니다. 핵융합이라고 불리는 이 과정은 세심히 조정된 폭발과 같습니다. 즉 외부의 압력과 중력 사이에서 정교하게 균형을 이루는 줄다리기 게임과도 같습니다.

 

그러나 항성의 연료가 떨어지고 핵융합이 느려지면서 중력이 장악하면서 별의 핵은 수축하게 됩니다. 이 내부 압력은 핵을 가열하고 새로운 핵융합을 촉발하는데 이는 별의 바깥 층이 팽창할 정도로 많은 에너지를 생산합니다. 이 별은 크기가 커지면서 표면이 식으며 적색 거성(red giant)혹은 초거성(supergiant)이 됩니다.

 

결국 남겨진 별 시체의 종류는 별의 질량에 따라 달라집니다. 태양과 같은 별은 연료가 떨어지면 결국 외층을 방출하고 백색왜성(white dwarf)이라 불리는 작고 뜨거운 핵만이 남습니다. 백색 왜성은 시간이 지나면서 점차 사라져 버릴 겁니다. 한때 요란했던 불의 죽어가는 불씨처럼 말이죠. 우리 태양은 약 50억 년간 쓸 수 있는 연료를 가지고 있습니다.

초기질량에 따른 별의 일생. 출처: ESA
초기질량에 따른 별의 일생. 출처: ESA

더 큰 별들은 더 뜨럽게 연료를 태우기 때문에 연료를 더 빨리 소모합니다. 태양 질량의 약 8배 이상인 대부분의 별들은 블랙홀이 되기 전 초신성이라 불리는 대격변의 폭발로 죽을 운명을 가지고 있습니다. 질량이 가장 많은 별들은 폭발을 건너뛰고 바로 블랙홀로 붕괴될 수 있습니다.

 

이 거대한 별들의 핵은 그들의 양성자와 전자가 서로 충돌해 중성자를 형성할 때까지 붕괴됩니다. 만약 남은 핵의 무게가 태양질량의 3배 미만이면 붕괴는 중성자별을 남기고 거기서 멈춥니다. 하지만 이보다 더 무거운 핵이 남아있을 경우 중성자조차도 압력을 지탱할 수 없고 붕괴되면서 블랙홀을 형성하게 됩니다.

 

수백만 개의 거대한 별들이 이 과정을 거쳤고 이제 블랙홀처럼 은하계 곳곳에 숨어 있습니다. 천문학자들은 우리 은하에 약 1억 개의 항성질량 블랙홀이 존재해아 한다고 생각합니다. 하지만 우리는 블랙홀이 주변 환경에 현저하게 영향을 미칠 때에만 발견할 수 있습니다. 천문학자들은 뜨겁고 발광하는 강착원반(accretion disks)이 주위에 형성돼 있거나 혹은 거대하지만 눈에 보이지 않는 천체 주위를 도는 별을 발견했을 때 블랙홀의 존재를 추론할 수 있습니다. Sahu는 “로만 망원경이 블랙홀을 찾는데 혁명을 일으킬 것”이라며 “근처에 아무것도 없는 상황에서도 블랙홀을 찾는데 도움을 줄 것이며 은하에는 이러한 천체들이 흩어져 있어야 한다”고 말합니다.

 

보이지 않는 것을 보는 것

 

로만 망원경은 태양계 너머의 행성을 발견하기 위해 주로 중력 마이크로 렌즈(gravitational microlensing)라고 불리는 기술을 사용할 예정입니다. 별과 같은 거대한 천체가 우리 시야에서 더 먼 별 앞을 지날 때, 더 먼 별로부터 오는 빛은 더 가까운 별 주위를 왜곡된 시공간으로 이동하면서 휘어질 겁니다.

이 그림은 블랙홀을 이용한 중력 마이크로렌즈의 개념을 보여준다. 블랙홀이 더 먼 별의 앞을 지날 때 별에서 오는 빛을 반사할 수 있다. 출처: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
이 그림은 블랙홀을 이용한 중력 마이크로렌즈의 개념을 보여준다. 블랙홀이 더 먼 별의 앞을 지날 때 별에서 오는 빛을 반사할 수 있다. 출처: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

그 결과 가까이 있는 별은 배경 항성으로부터 오는 빛을 확대하면서 천연 렌즈 같은 역할을 하게됩니다. 렌즈 별 주위를 도는 행성들은 더 작은 규모로 비슷한 효과를 낼 수 있습니다.

 

배경 항성을 밝게 하는 것 외에도 더 무거운 렌즈효과를 내는 천체는 너무 많은 시공간을 뒤틀어 먼 별의 겉보기 위치의 변화를 눈에 띄게 바꿀 수 있다고 합니다. 이러한 위치 변화, 즉 측성학적 미시중력렌즈(astrometric microlensing)는 매우 적게 변하는데 단 1밀리초 정도라고 합니다. 이는 마치 로스엔젤레스에서 뉴욕 엠파이어 스테이트 빌딩 꼭대기에 있는 25센트 폭만큼의 작은 움직임을 구별하는 것과 같다고 합니다. 천문학자들은 거대한 블랙홀의 미세한 움직임을 감지하기 위해 로만 망원경의 정교한 공간 분해능을 이용해 블랙홀의 질량, 거리, 은하를 통한 움직임을 제한할 수 있을 겁니다.

 

미시중력렌즈 신호는 매우 드물기 때문에 천문학자들은 수억 개의 별을 오랫동안 관측해야 합니다. 관측소는 대기권 밖에서만 행해질 수 있는데요. 배경항성의 위치와 밝기를 매우 정확히 추적할 수 있어야 하기 때문입니다. 로만 망원경의 위치와 거대한 시야는 우리에게 우리 은하의 블랙홀이 얼마나 있는지 밝혀낼 수 있는 최고의 기회를 제공할 겁니다.

 

Sahu는 “우리가 쌍성계에서 발견한 항성질량 블랙홀은 우리가 예상하는 것과 비교해 이상한 성질을 가지고 있다”며 “그것들은 모두 태양보다 10배 정도 더 무겁지만, 우리는 그것들이 태양질량의 3배에서 80배에 해당하는 더 넓은 범위에 걸쳐져 있어야 한다고 생각한다”고 말합니다. 이어 “로만 망원경이 이 천체들을 조사하기 시작함으로써 별들의 죽음의 고통에 대해 우리가 더 많이 이해할 수 있도록 도와줄 것이다”고 덧붙입니다.


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