궁수자리 A*

별의 궤도에서 블랙홀의 그림자까지

궁수자리 A*는 우리은하의 한가운데에 있는 초대질량 블랙홀이다. 눈으로 직접 볼 수 없는 대상을 확인하기 위해 천문학자들은 주위를 도는 별의 궤도, 뜨거운 가스가 내는 전파, 강한 중력이 휘어 놓은 빛을 차례로 읽었다. 이 대상의 역사는 ‘블랙홀 사진 한 장’이 아니라 서로 다른 관측이 같은 결론으로 수렴한 과정이다.

• 거리
  지구에서 약 2만 6,700광년
• 질량
  태양의 약 415만 배
• S2 공전 주기
  약 16년
• EHT 고리 지름
  51.8 ± 2.3 마이크로각초

은하 중심은 왜 보이지 않았을까

궁수자리 방향으로 약 2만 6,700광년을 거슬러 가면 우리은하의 중심에 닿는다. 그러나 그 사이에는 가시광선을 가리는 성간 먼지가 두껍게 놓여 있다. 천문학자들은 먼지를 비교적 잘 통과하는 적외선과 전파를 이용해 중심부를 관측했다. 1974년에는 은하 중심에서 매우 작고 강한 전파원이 발견됐고, 이 전파원은 훗날 궁수자리 A*, 줄여서 Sgr A*라는 이름을 얻었다.

전파원이 밝다는 사실만으로 곧바로 블랙홀이라고 단정할 수는 없었다. 결정적인 단서는 그 주변의 별들이 제공했다. 보이지 않는 한 점을 중심으로 별들이 빠르게 회전한다면, 궤도의 크기와 속도에서 중심 질량을 계산할 수 있기 때문이다.

S2가 그린 보이지 않는 질량

대표적인 별 S2는 약 16년에 한 번 Sgr A* 주위를 돈다. 가장 가까워질 때의 거리는 약 120AU, 즉 태양과 지구 사이 거리의 약 120배에 불과하며 속도는 초속 약 7,700km, 빛의 속도의 약 3%에 이른다. 수십 년 동안 S2와 다른 별들의 위치를 정밀하게 추적한 결과, 태양 약 400만 개의 질량이 S2의 궤도 안쪽 작은 영역에 집중돼 있음이 드러났다.

2018년 S2의 최근접 통과에서는 중력 적색편이가 관측됐고, 이어 궤도의 근일점이 매번 조금씩 앞으로 이동하는 슈바르츠실트 세차도 확인됐다. 뉴턴 역학의 닫힌 타원 대신 일반상대성이론이 예측한 장미꽃 모양의 궤도가 나타난 것이다. 이 장기 관측은 은하 중심의 초대질량 밀집 천체를 밝힌 연구로 이어졌으며, 라인하르트 겐첼과 안드레아 게즈는 관련 공로로 2020년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

Sgr A*의 존재는 한 번의 촬영으로 밝혀진 것이 아니다. 별의 궤도가 먼저 질량을 재고, 상대론적 효과가 중력장을 시험했으며, EHT가 마침내 사건의 지평선 규모의 구조를 분해했다.

EHT 영상은 무엇을 찍은 것인가

사건의 지평선 망원경은 하나의 망원경이 아니다. 2017년 4월, 세계 여덟 관측소의 전파망원경이 1.3mm 파장에서 같은 대상을 관측했고, 초장기선 전파간섭계 기술로 지구 크기의 가상 망원경을 만들었다. 원자시계로 맞춘 방대한 데이터를 결합한 결과는 2022년 공개됐다.

영상의 주황색 고리는 블랙홀의 표면이나 사건의 지평선 자체가 아니다. 블랙홀 주변의 뜨거운 플라스마가 낸 전파가 강한 중력에 휘고 여러 경로로 모이면서 밝은 고리를 만든다. 가운데의 어두운 부분은 사건의 지평선보다 크게 보이는 블랙홀 그림자로, 빛이 포획되는 영역과 그 주변에서 빛이 부족해진 결과다. 관측된 두꺼운 고리의 지름 51.8 ± 2.3마이크로각초는 약 400만 태양질량의 커(Kerr) 블랙홀을 전제로 한 일반상대성이론의 예측과 일치했다.

가까운데도 M87*보다 어려웠던 이유

Sgr A*는 M87 은하의 블랙홀보다 훨씬 가깝지만 영상화는 더 어려웠다. 두 블랙홀 주변의 가스는 모두 빛에 가까운 속도로 움직이지만, Sgr A*는 질량과 크기가 훨씬 작아 가스가 고리를 한 바퀴 도는 시간이 수 분에 불과하다. 지구 곳곳의 망원경이 몇 시간 동안 데이터를 모으는 사이 대상의 밝기와 구조가 계속 달라진 셈이다.

그래서 공개된 결과는 정지한 순간을 찍은 일반 사진이 아니다. 연구진은 시간 변화가 다른 모형을 포함해 수많은 재구성 영상을 만들고, 여러 독립 알고리즘에서 공통으로 남는 고리와 중앙의 밝기 감소를 대표 영상으로 정리했다. EHT 자료와 분석 절차도 공개돼 독립적인 재분석이 가능하다.

조용하지만 멈춰 있지는 않다

Sgr A*는 다른 은하의 활동은하핵과 비교하면 매우 어둡고 차분하다. 주변 물질을 무차별적으로 빨아들이는 우주의 진공청소기가 아니라, 가까이 들어온 소량의 가스만 강착한다. 충분히 떨어진 별은 다른 같은 질량의 천체 주위를 돌 때와 마찬가지로 안정적인 궤도를 유지한다. 다만 안쪽으로 들어간 플라스마는 가열되고 때때로 적외선과 X선 플레어를 내며 빠르게 변한다.

2024년 EHT의 편광 영상은 그림자 가까이에 강하고 비틀린, 비교적 질서 있는 자기장이 있음을 보여 줬다. 이 구조가 훨씬 큰 M87* 주변의 자기장과 닮았다는 사실은 초대질량 블랙홀이 물질을 받아들이고 방출 흐름을 만드는 물리가 크기에 관계없이 비슷할 가능성을 제시한다. 다만 Sgr A*의 제트는 아직 확인된 사실이 아니라 관측으로 검증해야 할 가설이다.

관측 증거를 읽는 법

수치는 관측 모형과 불확실성을 포함한 근삿값이다. 특히 ‘그림자’, ‘사건의 지평선’, ‘밝은 고리’는 서로 같은 경계를 뜻하지 않는다.

출처

• Event Horizon Telescope Collaboration — First Sagittarius A* EHT Results I
• Event Horizon Telescope — First image of the Milky Way black hole
• ESO — S2 Schwarzschild precession around Sagittarius A*
• NASA — What is the center of our galaxy like?
• Event Horizon Telescope — Polarized view of Sagittarius A*