국제 연구팀 "8.7년 주기로 궁수자리 A* 블랙홀 공전…최고속도 초속 2만5천㎞"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 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(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. 재판매 및 DB 금지]

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.

일반상대성이론에 따르면 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 함께 끌고 가면서 비틀고, 이는 주변 별들의 궤도에 영향을 미친다. [ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada 제공. 재판매 및 DB 금지]

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.

논문 공동 교신저자인 MPE 슈테판 길레센 박사는 블랙홀 회전 효과는 블랙홀을 가까운 거리에서 빠르게 회전하는 천체에서 더 강하게 나타난다며 "S301은 거대한 블랙홀의 회전을 처음으로 직접 측정하고, 이를 통해 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는 기회가 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

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