오메가 센타우리의 수수께끼: 중간질량 블랙홀의 존재 여부

오메가 센타우리는 우리 은하에서 가장 큰 구상성단으로, 약 천만 개의 별들이 모여 있는 곳이다. 오랫동안 천문학자들은 오메가 센타우리 중심부 근처의 별들이 예상보다 더 빠른 속도로 움직이는 것을 관측해 왔다. 이러한 현상의 원인으로, 태양 질량의 10만 배에 달하는 '중간질량 블랙홀' 또는 각각 태양 질량의 몇 배에 불과한 '항성질량 블랙홀'의 집단이 제시되었다.

항성 진화의 결과로 오메가 센타우리 중심부에 블랙홀의 집단이 형성될 것으로 예상된다. 그러나 천문학자들은 대부분의 블랙홀이 다른 별들과의 상호작용으로 튕겨져 나갈 것으로 생각했다. 따라서 중간질량 블랙홀이 더 유력한 해답으로 보였다.

최근 오메가 센타우리 중심부에서 매우 빠르게 움직이는 별들이 발견되었는데, 이러한 높은 속도를 얻기 위해서는 중간질량 블랙홀과의 상호작용이 필요할 것으로 추측되면서, 중간질량 블랙홀의 존재 가능성은 더욱 높아졌다.

중간질량 블랙홀은 항성질량 블랙홀과 초대질량 블랙홀 사이의 '잃어버린 고리'일 수 있기 때문에 천문학자들에게 매우 흥미로운 존재이다. 항성질량 블랙홀은 거대한 별의 죽음에서 형성되며, 다양한 방법으로 이미 발견되었다. 초대질량 블랙홀은 대형 은하의 중심에 위치하며, 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 질량을 가진다. 현재까지 초대질량 블랙홀이 어떻게 형성되는지, 또는 항성질량 블랙홀에서 시작되는지는 알려져 있지 않다. 중간질량 블랙홀을 발견하면 이 우주적 퍼즐을 풀 수 있을 것이다.

블랙홀의 집단이 유력해져

서리 대학을 포함한 연구팀이 오메가 센타우리 중심부의 별들의 이상적인 속도를 새롭게 조사했는데, 이번에는 새로운 데이터를 활용했다. 연구팀은 이상적인 속도 데이터와 펄서의 가속도에 대한 새로운 데이터를 처음으로 결합했다. 펄서는 블랙홀과 마찬가지로 죽어가는 별에서 형성된다. 태양 질량의 두 배까지 무게가 나가며, 지름은 20km에 불과하지만 초당 최대 700회 회전할 수 있다. 회전하면서 스핀 축을 따라 전파를 방출하는데, 마치 회전하는 팽이처럼 빛을 내뿜는다. 이 전파 빔이 지구를 스쳐 지나가면서 우리는 펄서를 감지할 수 있다.

펄서는 지구상의 원자 시계만큼이나 정확한 천연 시계이다. 스핀 속도의 변화를 정밀하게 측정함으로써 천문학자들은 펄서의 가속도를 계산할 수 있고, 이를 통해 오메가 센타우리 중심부의 중력장 세기를 직접 탐사할 수 있다.

서리 대학, 카나리아 천체물리학 연구소(IAC, 스페인), 안시 이론물리학 연구소(LAPTh, 프랑스)의 연구팀은 이러한 새로운 가속도 측정값과 별의 속도를 결합하여 중간질량 블랙홀과 블랙홀의 집단을 구별할 수 있었으며, 후자를 더 선호하게 되었다.

서리 대학의 저자인 저스틴 리드 교수는 다음과 같이 말했다.

"수수께끼 같은 중간질량 블랙홀에 대한 탐구는 계속되고 있습니다. 오메가 센타우리 중심부에 중간질량 블랙홀이 있을 수도 있지만, 우리의 연구는 그 질량이 태양 질량의 약 6,000배 미만이어야 하며, 항성질량 블랙홀의 집단과 함께 존재해야 한다는 것을 시사합니다. 그러나 곧 중간질량 블랙홀을 발견할 가능성이 매우 높습니다. 점점 더 많은 펄서의 가속도 데이터가 나오고 있어, 우리는 밀집된 별들의 중심부를 들여다보고 그 어느 때보다 정밀하게 블랙홀을 사냥할 수 있게 되었습니다."

 

연구의 주 저자인 IAC의 안드레스 바나레스-에르난데스는 다음과 같이 말했다.

"우리는 오랫동안 은하 중심의 초대질량 블랙홀과 우리 은하 내의 작은 항성질량 블랙홀에 대해 알고 있었습니다. 그러나 이러한 극단적인 블랙홀 사이의 간극을 메울 수 있는 중간질량 블랙홀의 존재는 아직 증명되지 않았습니다."

"왜소 은하의 잔해인 오메가 센타우리를 연구함으로써, 우리는 방법론을 개선하고 이러한 블랙홀이 존재하는지, 그리고 별의 집단과 은하의 진화에 어떤 역할을 하는지 이해하는 데 한 걸음 더 나아갈 수 있었습니다. 이 연구는 20년간의 논쟁을 해결하고 미래 탐사를 위한 새로운 문을 열어줍니다."

"펄서의 형성은 최근 많은 펄서가 발견됨에 따라 활발하게 연구되고 있는 분야입니다. 오메가 센타우리는 펄서의 형성 모델을 연구하기에 이상적인 환경이며, 우리는 이번 분석에서 처음으로 이를 할 수 있었습니다."