이웃집과학자

지난 13일, 천문학자들은 블랙홀 근처를 공전하는 별을 발견했습니다. 이 별은 블랙홀 주위를 한 시간에 두 번 공전합니다. 별과 블랙홀이 하나의 ‘계’를 이루는 쌍성계입니다. 

이번 발견에는 NASA의 ‘찬드라 X선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory)’과 X선 관측위성인 ‘NuStar’, 호주연방과학원의 ‘ATCA망원경(Australia Telescope Compact Array)’ 등이 동원됐습니다.

찬드라 자료를 분석한 결과 많은 양의 산소가 존재한다는 증거가 포착됐습니다. 많은 양의 산소는 백색왜성, 즉 태양 질량 정도 되는 별이 핵융합을 끝내고 죽음을 맞이했을 때 중심에 남은 천체의 특징입니다.

블랙홀과 이 백색왜성은 하나의 쌍성계를 이루고 있습니다. 쌍성계란 두 개 이상의 별들이 쌍방의 인력에 따라 공통 무게중심 주위를 일정한 주기로 공전하고 있는 천체를 일컫습니다. 쌍성 중 무겁고 밝은 별을 주성, 가볍고 어두운 별을 동반성이라 부릅니다. 이 쌍성계에서는 백색왜성이 동반성이겠죠.

백색왜성은 태양 질량 정도 되는 별이 핵융합을 끝내고 죽음을 맞이했을때 중심에 남은 천체입니다.

이 천체는 구상성단인 NGC 104 내부에 있습니다. 구상성단은 대게 수십만개의 별들이 모여있는 별들의 집단입니다. NGC 104는 지구로부터 14,800광 년 거리입니다. 이 독특한 쌍성계는 ‘X9’라는 이름이 붙었습니다.

찬드라 망원경으로 X9의 X선 밝기를 관측해서 기록해보니 매 28분마다 밝았다 어두워졌다를 반복했습니다. 백색왜성이 블랙홀을 한 번 공전하는 시간이 28분이라는 것을 알아냈습니다.

놀라운 점은 이 백색왜성이 블랙홀을 공전할 때 블랙홀과의 거리가 지구와 달 거리의 2.5배 밖에 되지 않는다는 부분입니다. 이것은 블랙홀을 공전하는 별 중 블랙홀과 가장 가까운 거리를 유지한다고 볼 수 있습니다. 참고로 지구와 달 사이의 평균 거리는 약 382,500 km 입니다.

이번 연구의 책임 연구자인 캐나다 앨버타대학 Arash Bahramian은 “이 백색왜성은 블랙홀에 굉장히 가까워서 백색왜성의 대기가 별에서 벗어나 블랙홀 주위로 빨려들어간다”고 밝혔습니다. 그는 이어 “이 별은 운이 좋게도 블랙홀에 빨려 들어가진 않을 것 같지만 공전 궤도에서도 벗어나지도 못할 것”같다고 밝혔습니다.

학자들은 이 백색왜성이 당장 블랙홀에 의해 파괴될 것으로 전망하진 않습니다. 하지만 이 백색왜성의 미래는 불확실합니다. 백색왜성의 일부가 계속 날아가버리면 종국에는 미미한 질량만 남긴채 백색왜성은 사라져 버리겠죠.

어쩌다 백색왜성과 블랙홀의 쌍성계가 태어났을까요? 그것도 이 정도로 가까운 거리에서 말이죠. 한 가지 가능성은 블랙홀이 거대한 적색성과 격돌한 시나리오입니다. 본래부터 쌍성이였던 X9중 하나가 먼저 블랙홀이 됩니다. 다른 별이 뒤늦게 적색거성이 됩니다. 블랙홀이 이 별의 대기를 빨아들이기 시작한 경우입니다.

이 가설에 따르면 적색거성 외부의 가스가 블랙홀 때문에 날아가 버리고 중심의 핵심물질은 백색왜성으로 변하게 됩니다. 이 백색왜성이 지금 블랙홀을 공전하는 별이 된 것이죠.

또 다른 가설은 그 백색왜성이 블랙홀이 아니라 중성자별과 연결되어 있기 때문이라는 내용입니다. 이 시나리오에 따르면 중성자별이 밀리초 맥동성이어서 빠르게 회전합니다. 그리고 백색왜성의 물질을 끌어당기는 것입니다. 밀리초 맥동성은 한 축을 1초에 1000번 회전하는 빠른 중성자별입니다. 자신의 강한 복사에 따라 동반성의 대기가 찢기는 블랙 위도우(Black Widow) 현상을 만들기도 합니다. 이 가설을 지지하는 학자들은 그래서 X9의 동반성의 대기 물질이 뿜어져나간 것으로 보고 있습니다.

블랙홀과 백색왜성의 동반관계가 아닐 수도 있다는 가설도 존재합니다. 중성자별과 백색왜성의 쌍성계라고 가정해도 관측된 일부가 설명이 되기 때문입니다. 중성자별의 경우 자전을 굉장히 빠르게 하는데 빠르게 회전하는 동시에 백색왜성으로부터 질량의 일부를 뺏어옵니다. 그러나 X9에서는 x선과 전파 파장대에서의 극단적인 변광이 발견되지 않아서 이번 연구진들이 이 가설을 크게 지지하지는 않는 상태입니다. 하지만 이 가설이 틀렸다고 입증할 만한 증거도 없어서 완전히 배제하지는 못하고 있습니다.

연구진은 “우리는 이 시스템이 어떻게 형성되었는지 알아내지 못했기 때문에 이 쌍성을 면밀히 관측할 계획”이라고 밝혔습니다. 연구진은 지속적인 연구를 통해 블랙홀 쌍성의 증거를 발견하기를 바라고 있습니다.