우리들 유무식의 한계

[CBS 감일근 기자]

미국 UCLA대학 천문학자들이 우리 은하수 중심에 있는 엄청난 규모의 블랙홀을 공전하는 놀라운 별을 발견했다. 이 별의 공전주기는 11년 6개월로 지금까지 발견된 은하수 중심 블랙홀을 도는 별 가운데 가장 짧다.

논문의 공동저자인 앤드리아 게츠 UCLA 천체물리학 교수는 SO-102로 알려진 이 별이 블랙홀에서 시간과 공간이 휘어진다는 아인슈타인의 근본적인 예언이 옳은지 여부를 밝혀내는데 도움을 줄 것이라고 말했다.

이번 연구결과는 5일 출간된 사이언스지에 실렸다.

은하수 중심의 블랙홀 주변을 짧은 주기로 공전하는 별은 지금까지 SO-2 하나가 발견됐었다. 이 별의 공전주기는 16년이다. 명칭에 붙은 S는 궁수자리(Sagittarius)를 의미하는데 이 별자리는 은하의 중심에 블랙홀을 갖고 있다.

게츠는 "우리 은하의 초질량(태양의 5만배를 넘는 질량) 블랙홀을 인간의 수명보다 훨씬 짧은 공전주기로 공전하는 두 개의 별을 발견한 것은 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 그는 블랙홀을 도는 3,000개의 별을 연구해왔으며 1995년 이후 SO-2를 연구하고 있다. 이들 3,000개 별의 대부분은 60년 이상의 공전주기를 갖고 있다.

그는 "탱고춤과 같이 SO-102와 SO-2는 서로 어우러져 블랙홀 근처에서 시간과 공간의 진정한 기하도형적 배열을 처음으로 밝혀주게 될 것이다. 이 측정은 한 개의 별만으로는 할 수 없는 것이다"고 의미를 평가했다.

논문의 공동저자인 앤드리아 게츠 UCLA 천체물리학 교수는 SO-102로 알려진 이 별이 블랙홀에서 시간과 공간이 휘어진다는 아인슈타인의 근본적인 예언이 옳은지 여부를 밝혀내는데 도움을 줄 것이라고 말했다.

물질의 붕괴로 생성된 블랙홀은 밀도가 매우 높아 중력이 강하기 때문에 빛을 비롯해 어떤 것도 탈출할 수가 없다. 블랙홀은 빛도 탈출할 수 없기 때문에 눈에 보이지 않는다. 그러나 근처의 별에 미치는 영향을 통해 블랙홀의 존재를 감지할 수 있다.

아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 질량은 시간과 공간을 왜곡하고, 따라서 시간의 흐름을 늦출 뿐 아니라 거리를 늘리거나 줄이게 된다.

연구에 참가한 레오 메이어 연구원은"오늘날 우리가 사용하는 스마트폰은 GPS(위성항법장치)기능을 활용하는데 이는 아인슈타인의 이론에 기반을 둔 것이다. 우리가 알고 싶은 것은 이 스마트폰이 블랙홀 가까이에서도 작동할 수 있는지 여부이며 이번에 발견한 별은 미래에 우리의 이런 질문에 답변할 수 있을 것이다"라고 설명했다.

게츠 교수는 "블랙홀에 이처럼 가까운 별을 발견할 수 있다는 것은 놀라운 일이다. 이것은 블랙홀이 시간이 흐르면서 어떻게 성장하고, 은하의 중심에서 초질량의 블랙홀이 어떤 역할을 하며, 아인슈타인의 일반상대성이론이 블랙홀 근처에서도 유용한지 등을 이해하기 위한 실험에 있어 완전히 새로운 차원을 제공할 수 있다. 지금까지 블랙홀 주변에서 일반상대성이론을 실험한 적은 없었다. 따라서 이런 연구을 할 수 있는 수단을 갖게 됐다는 것은 흥미로운 일이다"라고 말했다.

그는 "블랙홀 주변에서 발견된 이 별은 특별히 생존하기 좋은 환경은 아니지만, 놀라운 사실은 블랙홀이 이전에 생각했던 것만큼 별들에게 적대적이지는 않은 것으로 보인다"고 덧붙였다.

게츠와 그녀의 동료들은 17년 이상 W.M. 케크 천문대(W.M. Keck Observatory)를 이용해왔다. 이 천문대는 하와이의 휴면화산인 마우나 키 화산에 설치돼 있으며 가장 높은 방위분해능으로 은하 중심의 이미지를 얻을 수 있다.

이 천문대는 지구 대기에 의한 왜곡 효과를 보정하는 적응제어광학(adaptive optics)이라는 강력한 기술을 사용한다. 이 기술 개발에는 게츠 교수가 크게 기여했다. 적응제어광학기술로 게츠와 동료연구진은 블랙홀 주변의 환경에 대한 많은 놀라운 사실을 발견했다. 그 가운데는 아무도 예상하지 못한 젊은 별의 발견이 있었고, 반면 많이 존재할 것으로 예상했던 늙은 별이 거의 없다는 사실도 확인했다.

게츠는 "행성들이 항성 주위를 도는 것과 같이 SO-102와 SO-2는 타원의 궤도로 은하 중심의 블랙홀을 돌고 있다. 300년 전 우리 태양계 행성의 운동은 뉴턴 중력이론을 뒷받침하는 궁극적인 시험대였다면 S0-102 와 S0-2의 운동은 아인슈타인의 일반상대성 이론에 대한 시험대가 될 것이다"라고 설명한다. 일반상대성이론은 중력을 시간과 공간의 휘어짐의 결과로 기술한다.

궤도 전체를 공전하는 별을 관찰하는 것이 주는 흥미로운 사실은 블랙홀의 존재 사실 뿐만 아니라 이들 별의 운동을 이용하여 기본적인 물리이론을 시험하는 첫 번째 기회를 갖게 된다는 것이다. 타원의 궤도를 돈다는 사실은 초질량의 불랙홀이 존재함을 의미한다. 그러나 만약 측정의 정확성을 개선할 수 있다면 완전한 타원으로부터 일탈을 볼 수 있게 될 것이며, 이는 일반상대성이론이 옳다는 것을 입증하는 것이다.

즉, 별들이 블랙홀에 가장 가까이 접근할 때 그들의 운동은 시공간의 휘어짐에 의해 영향을 받을 것이다. 그리고 이들 별로부터 나오사 우리에게 오는 빛도 왜곡될 것이다.

S0-102보다 15배 더 밝은 S0-2는 공전주기 상 2018년에 블랙홀에 가장 근접하게 된다.

완전한 타원의 모양에서 벗어나는 정도는 매우 적고 극히 정확한 측정이 필요하다. 지난 15년 동안 게츠와 동료들은 측정의 정확도를 놀랄 만큼 개선해왔다.

이번 연구의 공동저자는 UCLA 천체물리학 교수인 마크 모리스와 에릭 베클린이다.
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