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태양보다 3.3배 무거운 초소형 블랙홀 발견

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태양보다 3.3배 무거운 초소형 블랙홀 발견

2019.11.01 03:00
토드 톰슨 미국 오하이오주립대 천문학부 교수 연구팀은 새로운 블랙홀 탐색법을 개발해 태양 질량의 3.3배 크기인 초소형 블랙홀을 발견하는 데 성공했다. 수많은 별들 중에서 쌍성계를 가진 것으로 추정되는 천체를 찾고 여기서 블랙홀을 찾는 방식이다. 오하이오주립대 제공
토드 톰슨 미국 오하이오주립대 천문학부 교수 연구팀은 새로운 블랙홀 탐색법을 개발해 태양 질량의 3.3배 크기인 초소형 블랙홀을 발견하는 데 성공했다. 수많은 별들 중에서 쌍성계를 가진 것으로 추정되는 천체를 찾고 여기서 블랙홀을 찾는 방식이다. 오하이오주립대 제공

태양 질량의 3.3배 크기인 초소형 블랙홀이 발견됐다. 지금까지 발견된 가장 작은 블랙홀의 질량은 태양 질량의 5배였다. 새로운 블랙홀 탐색법이 나오면서 다양한 질량의블랙홀이 발견되고 있다.

 

토드 톰슨 미국 오하이오주립대 천문학부 교수 연구팀은 지금까지 알려진 블랙홀보다 훨씬 작은 질량인 태양 질량의 3.3배 블랙홀을 발견했다고 지난달 31일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

 

큰 별은 빛을 내뿜으며 폭발하는 초신성이 된 이후 중심핵이 중력을 이기지 못하고 붕괴하게 된다. 이 과정에서 빛조차도 빨아들이는 중력을 가진 블랙홀 혹은 밀도가 극도로 높은 중성자별로 다시 태어난다. 어떤 것이 될 것이냐는 별의 질량에 달려 있다. 과학계는 초신성과 블랙홀의 경계를 태양 질량의 약 2.5~3배로 본다. 이보다 질량이 커지면 형태를 유지하지 못하고 블랙홀이 된다.

 

하지만 이는 이론적 추측치다. 지금까지 관측된 블랙홀 중 가장 작은 것은 태양 질량의 약 5배였다. 반면 중성자별 중 가장 큰 질량은 지난 9월 미국 버지니아대 연구팀이 발견한 중성자별로 태양질량의 2.17배 질량을 가졌다. 중간에 큰 공백이 있는 것이다. 때문에 천문학자들은 블랙홀과 중성자별 사이의 경계를 줄이기 위해 가장 작은 블랙홀과 가장 큰 중성자별을 계속해 찾아 왔다.

 

연구팀은 블랙홀이 다른 별과 쌍성계를 이루는 경우가 많다는 것에 착안해 알려지지 않은 블랙홀을 찾기로 했다. 블랙홀과 함께 도는 별의 공전 주기와 별의 질량을 알면 보이지 않는 블랙홀의 질량을 예측할 수 있다. 연구팀은 ‘아파치포인트천문대 은하진화실험’(APOGEE) 데이터를 활용해 10만 개의 별빛 스펙트럼을 모은 후 후보 200개를 추렸다. 이를 ‘초신성 전천 자동 탐색(ASAS-SN)’ 데이터와 합쳐 분석해 블랙홀을 가진 것으로 추정되는 쌍성계 후보별을 찾았다.

 

그 결과 83일 주기로 무언가를 공전하는 별인 ‘2MASS J05215658+4359220’가 숨겨진 천체를 안고 있는 쌍성계로 확인됐다. 연구팀은 이 별의 공전 주기와 그에 따른 별 밝기 변화를 분석한 결과 지금까지 발견된 블랙홀보다는 작으나 중성자별보다는 큰 질량의 천체와 쌍성계를 이뤄야 가능한 수치임을 확인했다. 연구팀은 틸링해스트 반사 격자 분광기(TRES)와 별의 위치와 밝기를 정밀 관측하는 유럽우주국(ESA)의 가이아 위성을 활용해 이 별과 쌍성계를 이룬 천체가 태양 질량의 3.3배 질량의 블랙홀임을 확인했다.

 

톰슨 교수는 “블랙홀을 검색하는 새로운 방법을 제시했다”며 “천문학자들이 이전에 알지 못했던 새로운 작은 질량의 블랙홀 중 하나를 식별하는데도 성공했다”고 말했다.

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