살육의천사: 블랙홀로 아슬아슬하게 살아남은 별

천문학자들은 새로운 종류의 생존 이야기를 발견했을지도 모른다. NASA의 찬드라 X선 관측소와 ESA의 XMM-뉴턴의 데이터는 지구에서 약 2억5000만 광년 떨어진 은하계의 초거대 블랙홀에 너무 가까이 떠돌아다니는 적색거성 별은 GSN 069라는 은하에 위치한 이 블랙홀은 태양의 약 40만 배에 달하는 질량을 가지고 있어 초질량 블랙홀의 작은 끝에 놓이게 된다. 일단 적색 거성이 블랙홀의 중력에 포착되면 수소를 함유한 별의 바깥 층이 벗겨지고 블랙홀 쪽으로 돌면서 별의 핵심인 백색왜성이 뒤에 남게 된다. 이 연구를 수행한 영국 레스터 대학의 앤드루 킹은 "내가 X선 데이터를 해석한 결과 백색 왜성은 살아남았지만 탈출하지 못했다"고 말했다. "현재 블랙홀 주위의 타원 궤도에 걸려 9시간에 한 번 정도 한 바퀴 돌고 있다." 백색왜성이 거의 세 배나 되는 궤도를 돌 때, 블랙홀은 가장 가까운 접근(사건 지평선 반지름의 15배 이하, 블랙홀로부터 되돌아오지 않는 지점)에서 물질을 떼어낸다. 별똥별 디트리투스는 블랙홀을 둘러싼 원반 속으로 들어가 찬드라, XMM-뉴턴이 탐지할 수 있는 X선 파열음을 방출한다. 게다가 킹은 특히 가장 가까운 지점에서 블랙홀과 백색 왜성 쌍에 의해 중력파가 방출될 것이라고 예측하고 있다. 항성과 그 궤도의 미래는 어떻게 될까? 중력파의 효과와 질량을 잃으면서 별의 크기가 증가하게 되면 궤도가 더 원형이 되고 크기가 커지게 된다. 이 경우 질량 손실 속도는 꾸준히 느려지고, 백색 왜성은 블랙홀을 벗어나 천천히 나선형으로 움직인다. "도망치기는 힘들겠지만 탈출구는 없다. 블랙홀은 점점 더 천천히 먹겠지만 절대 멈추지 않을 것이다." 라고 킹이 말했다. "원리적으로 이러한 질량의 손실은 약 1조년 후에 목성과 비슷한 질량을 가진 백색 왜성이 행성이 될 때까지도 계속될 것이다. 이것은 우주가 행성을 만드는 놀랄 만큼 느리고 난잡한 방법이 될 것이다!" 천문학자들은 블랙홀(일명 조석파괴 사건)과의 만남으로 완전히 갈라진 별들을 많이 발견했지만, 이 별이 생존했을 가능성이 높은 근접 미스 사례는 거의 보고되지 않고 있다. 이와 같은 방목적 만남은 우주 교통 패턴의 통계로 볼 때 직접적인 충돌보다 더 흔해야 하지만, 몇 가지 이유로 쉽게 놓칠 수 있다. 첫째로, 천문학자들이 반복적인 폭발을 보기 위해 블랙홀 주위의 궤도를 완성하는 데 더 큰 질량의 생존 항성이 너무 오래 걸릴 수 있다. 또 다른 문제는 GSN 069의 것보다 훨씬 더 거대한 초질량 블랙홀이 주기적으로 질량을 잃는 궤도에 떨어지는 항성보다 항성을 직접 삼킬 수 있다는 점이다. 이런 경우 천문학자들은 아무것도 관찰하지 않을 것이다. "천문학적 관점에서 볼 때, 이 사건은 현재의 망원경에서 약 2,000년 동안만 볼 수 있다."고 킹이 말했다. "그러니까 우리가 이 놈을 잡은 것이 비범하게 운이 좋았던 것이 아니라면 우리가 놓치고 있는 것이 더 많을지도 모르지. 이런 만남이 GSN 069 크기의 블랙홀이 자라나는 주요 방법 중 하나가 될 수 있다고 말했다. 킹은 백색 왜성의 질량은 태양의 10분의 2에 불과하다고 예측한다. 백색왜성이 수소를 완전히 벗겨낸 적색 거성의 핵심이었다면 헬륨이 풍부해야 한다. 헬륨은 적색 거성의 진화 과정에서 수소 원자의 융합에 의해 생성되었을 것이다. 킹은 "2억5000만 광년 떨어진 작은 별의 궤도, 질량, 구성을 유추할 수 있다고 생각하는 것은 놀라운 일이다"라고 말했다. 킹은 자신의 시나리오를 바탕으로 예측을 했다. 백색왜성은 블랙홀에 너무 가까이 있기 때문에 일반상대성이론의 영향은 궤도 축의 방향이 흔들려야 한다는 뜻, 즉 '정진'을 의미한다. 이 흔들림은 이틀마다 반복되어야 하며 충분히 긴 관찰로 감지될 수 있다. 이러한 결과를 기술한 논문은 2020년 3월 왕립천문학회 월간고시에 게재되어 있으며, 온라인에서 구할 수 있다. NASA의 마샬 우주 비행 센터는 찬드라 프로그램을 관리한다. 스미스소니언 천체물리학전망대의 찬드라 엑스레이 센터는 매사추세츠주 케임브리지와 벌링턴에서 오는 과학과 비행 운영을 통제한다.