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S2 (항성)

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목차

1. 개요

S2는 1998년에 명명된 항성으로, 우리 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀 후보인 궁수자리 A*를 공전한다. 15.56년의 공전 주기를 가지며, 궤도는 매우 큰 이심률을 보인다. S2의 움직임은 일반 상대성 이론을 검증하고, 궁수자리 A* 주변의 다른 천체들을 탐색하는 데 활용된다. 2018년, S2는 궁수자리 A*에 근접하여 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는 현상을 보였으며, S2 외에도 S0-102, S62와 같은 별들이 궁수자리 A*를 공전한다.

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S2 (항성)
명칭
명칭S2
다른 이름[PGM2006] E1
[CRG2004] 13
[SME2009] 2
[SOG2003] 1
[GKM98] S0-2
[EG97] S2
[GPE2000] 0.15
[SOG2003] 1
관측 정보
시대J2000.0 (ICRS)
별자리궁수자리
특징
분광형B0-2 V
질량14 M☉
천체 측정
거리7,940 ± 420 파섹 (25,900 ± 1,370 광년)
궤도 요소
중심체궁수자리 A*
공전 주기16.0518 년
긴반지름0.12540 ± 0.00018 각초
궤도 이심률0.88466 ± 0.00018
궤도 경사133.818 ± 0.093 도
승교점 경도227.85 ± 0.19 도
근점 통과 시기2018.37974 ± 0.00015
근점 인수66.13 ± 0.12 도

2. 명칭

S0-2라는 명칭은 1998년에 처음 사용되었다. S0은 Sgr A*에서 1 각초 이내에 있는 별을 나타내며, 이는 은하 중심을 의미한다. S0-2는 측정 당시 가장 가까이 관측된 두 번째 별이었다. 이 별은 1년 전 단순히 S2로 분류되었으며, 은하 중심 근처의 11개 적외선 광원 중 두 번째로 반시계 방향으로 번호가 매겨졌다. 두 목록 모두에서 별이 "2"로 번호가 매겨진 것은 우연의 일치이며, 다른 목록에서는 다르게 번호가 매겨져 있다.

3. 궤도

S2는 1995년부터 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스와 막스 플랑크 외계물리학재단에서 궁수자리 A\*의 정체가 초대질량 블랙홀인지 확인하기 위해 연구 중인 별이다. 2008년까지 축적된 자료에 따르면 궁수자리 A\*는 블랙홀일 가능성이 크다.[48]

S2는 매우 큰 이심률을 가진 타원 궤도로 A\* 주위를 공전한다. 막스 플랑크 재단 소속 천문학자 그룹은 S2의 공전 운동을 관측하여 지구로부터 은하계 중심부까지의 거리를 측정했는데, 그 값은 25884 ± 1369 광년으로 다른 방법으로 측정한 값과 크게 다르지 않았다.[49][50]

S2의 움직임은 궁수자리 A\* 근처에 있는 다른 천체들을 찾아내는 데 도움이 된다. S2 궤도 크기의 공간에는 항성 잔해(별 블랙홀, 중성자별, 백색 왜성 등)가 퍼져 있을 것으로 추측되며, 이 천체들은 S2를 흔들어 케플러 궤도에서 벗어나게 할 수 있다.[52] 현재까지 관측 결과, 이들 보이지 않는 천체들의 총 질량은 궁수자리 A\*의 1%를 넘지 않는다는 것이 밝혀졌다.[53]

2012년에는 S2보다 A\*를 더 가까이서 도는 S0-102가 발견되었다. S0-102의 공전 주기는 11.5년으로 S2보다 짧다.

3. 1. 궤도 특성

S2는 큰 이심률을 그리면서 전파원을 돌고 있는데, 전파원에 가장 가까이 접근해도 17 광시(120 천문단위, 태양~해왕성 거리의 네 배) 이하로는 가까워지지 않는다. 그러나 전파원의 질량이 태양의 430만 배이기 때문에 공전주기는 15.56 ± 0.35년에 불과하다.[51] S2의 근성점 거리는 약 17광시(18조미터/120천문단위)이며, 궤도 주기는 15.9년이다.[51] 이는 근점 거리가 해왕성의 4배 이상이면서, 공전 주기는 목성과 3할밖에 차이가 나지 않는 것이다.

S2가 A*와 초근접 하였을 때의 공전속도는 초당 5000 킬로미터로, 이는 빛 속도의 1.67% 수준이다. 항성에 가해지는 가속도는 대략 1.5 m/s2로 지구 표면중력의 6분의 1 수준이다.[51] S2의 궤도는 가장 빠른 탄도 궤도로 알려져 있으며, Sgr A* 블랙홀의 질량이 으로 최근 추정되었고 S2가 근접한다는 점을 감안하면, 그 속도는 5,000 km/s (11,000,000 mph, 즉 광속)를 초과한다.[13]

3. 2. 일반 상대성 이론 검증

S2의 궤도는 일반 상대성 이론의 예측과 일치하는 중력 적색 편이 및 슈바르츠실트 세차 운동을 보인다. 이러한 관측 결과는 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 중요한 증거로 평가된다.[23][24][25]

라인하르트 겐첼이 이끄는 GRAVITY 협력[18][16][19][20]과 앤드리아 게즈가 이끄는 KECK/UCLA 은하 중심 그룹[21][22]의 독립적인 분석 결과, 가로 도플러 효과와 중력 적색 편이가 결합되어 최대 200km/s/c에 달했으며, 이는 일반 상대성 이론의 예측과 일치했다. 추가적인 분석을 통해 S2의 궤도에서 근접 통과로 인해 12 분각 (0.2도)의 슈바르츠실트 세차 운동이 발생했으며, 이는 일반 상대성 이론과 완전히 일치하는 것으로 나타났다.

S2는 강력한 중력장을 발생시키는 초대질량 블랙홀 근처에 위치하며, 그 주위를 공전하므로 중력 렌즈, 중력 적색 편이, 근점의 승온 운동과 같은 일반 상대성 이론이 예측하는 효과 및 여분 차원의 효과를 검증하는 좋은 실험장이 된다. 이러한 효과는 근성점에서 최대가 된다.

3. 3. 2018년 근접 통과

2018년에 S2는 Sgr A*에 가장 가까이 접근하여 광속의 거의 3%인 7,650 km/s의 속도에 도달했으며, 블랙홀에서 불과 120 AU(약 슈바르츠실트 반지름의 1,400배) 거리에서 통과했다.[16][17] S2는 2018년 5월 19일에 근점에 도달했으며, 지구에서 바라본 시선 방향 속도는 4월에 최고조에 달했고, 이후 8월 말과 9월 초에 최저점에 도달했다.[16]

라인하르트 겐첼이 이끄는 GRAVITY 협력[18][16][19][20]과 앤드리아 게즈가 이끄는 KECK/UCLA 은하 중심 그룹[21][22]의 독립적인 분석 결과, 가로 도플러 효과와 중력 적색 편이가 결합되어 최대 200 km/s/c에 달했으며, 이는 일반 상대성 이론의 예측과 일치했다.

추가적인 분석을 통해 S2의 궤도에서 근접 통과로 인해 12 분각(0.2도)의 슈바르츠실트 세차 운동이 발생했으며, 이는 일반 상대성 이론과 완전히 일치하는 것으로 나타났다.[23][24][25]

4. 물리적 특징

S2는 스펙트럼으로부터 질량이 태양의 14배 이상인 초기 B형 주계열성으로 추정되며, 헬륨이 풍부하게 존재하기 때문에 강한 항성 자기장이 발생하고 있는 것으로 생각된다.[1]

5. 은하 중심 연구

S2의 관측은 우리 은하 중심부와 초대질량 블랙홀 연구에 중요한 기여를 한다. 1992년부터 케크 망원경, VLT 등도 활용하여 관측이 계속되었으며, 궁수자리 A*가 블랙홀이라는 증거가 축적되고 있다. 2008년에는 S2가 1 공전주기를 마쳐, 공전 궤도의 모든 위상이 관측되었다. S2 외에도 궁수자리 A* 주위를 도는 별이 몇 개 있지만, S2는 공전 주기가 짧고 밝기 때문에 이 관측에서 특히 중요하다.

십자 표시는 추정되는 블랙홀(궁수자리 A*), 흰 점은 항성, 가장 블랙홀에 가까운 항성이 S2


S2의 시점 변화는 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 존재를 증명하기 위한 하나의 수단으로서 관측되고 있다. S2의 궤도를 알면, 이를 케플러 회전과 비교하여 S2를 중력적으로 묶는 천체의 질량을 추정할 수 있으며, 그 수치에 따라 블랙홀 이외의 가능성을 배제할 수 있기 때문이다.

관측은 주로 막스 플랑크 외계물리학 연구소와 UCLA를 중심으로 하는 두 팀이 진행하고 있으며, 궁수자리 A*를 도는 S2의 궤도 운동 관측 결과를 사용하여 지구로부터 은하 중심까지의 거리와 블랙홀의 질량을 결정하려고 시도하고 있다.

5. 1. 초대질량 블랙홀

이 별은 1995년부터 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스와 막스 플랑크 외계물리학재단에서 의문의 전파원 궁수자리 A*의 정체가 초대질량 블랙홀인지 확인하기 위해 연구하고 있다. 그동안 누적된 자료에 따르면 궁수자리 A*는 블랙홀일 가능성이 크다. 2008년에는 S2가 1 공전주기를 마쳤다.[48]

막스 플랑크 재단 소속 천문학자 그룹은 S2의 공전 운동을 관측하여 지구로부터 S2가 속한 은하계 중심부까지의 거리를 측정했는데, 측정값은 25884 ± 1369 광년으로, 다른 방법으로 측정한 값과 크게 다르지 않았다.[49][50]

S2는 전파원을 큰 이심률을 그리면서 돌고 있는데, 전파원에 가장 가까이 접근해도 17 광시(120 천문단위, 태양~해왕성 거리의 네 배) 이하로 가까워지지 않지만, 전파원의 질량이 태양의 430만 배이기 때문에 공전주기는 15.56 ± 0.35년에 불과하다. S2가 궁수자리 A*와 초근접 하였을 때의 공전속도는 초당 5000 킬로미터로, 빛 속도의 1.67% 수준이다. 항성에 가해지는 가속도는 대략 1.5 m/s2로 지구 표면중력의 6분의 1 수준이다.[51]

S2의 움직임으로부터 궁수자리 A* 근처에 있는 다른 천체들을 잡아낼 수 있다. S2의 공전궤도 정도 크기의 공간에 눈에 보이지 않는 항성 잔해들(항성질량 블랙홀, 중성자별, 백색 왜성 등)이 퍼져 있을 것으로 추측하고 있다. 이 천체들은 S2를 흔들어 케플러 궤도로부터 서서히 벗어나게 만들 것이다.[52] 누적 관측으로 알게 된 사실 중 하나는 이들 보이지 않는 천체들의 질량을 다 합친 값이 궁수자리 A*의 1%를 넘지 않는다는 것이다.[53]

S2의 시점 변화는, 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 존재를 증명하기 위한 하나의 수단으로서 모니터링되고 있다. S2의 궤도를 알면, 이를 케플러 회전과 비교하여 S2를 중력적으로 묶는 천체의 질량을 추정할 수 있으며, 그 수치에 따라 블랙홀 이외의 가능성을 배제할 수 있기 때문이다.

1992년 이후, NTT 외에도 케크 망원경, VLT 등도 활용하여 관측이 계속되었으며, 궁수자리 A*가 블랙홀이라는 증거가 축적되고 있다. 2008년에는 1992년에 관측된 위치까지 되돌아와, 공전 궤도의 모든 위상이 관측되었다. S2 외에도 궁수자리 A* 주위를 도는 별이 몇 개 있으며, 마찬가지로 모니터링되고 있지만, S2는 공전 주기가 짧고 밝기 때문에 이 관측에서 특히 중요한 역할을 하고 있다.

관측은 주로 막스 플랑크 외계물리학 연구소와 UCLA를 중심으로 하는 2개 팀이 진행하고 있으며, 궁수자리 A*를 도는 S2의 궤도 운동의 관측 결과를 사용하여 지구로부터 은하 중심까지의 거리와 블랙홀의 질량을 결정하려고 시도하고 있다. 최근 결과에 따르면, 중심까지의 거리는 8.28±0.44 킬로파섹 (2만 7천 광년), 궁수자리 A*의 질량은 430만 태양 질량으로 추정되고 있다. 궤도의 근성점에서 S2의 궤도 속도는 약 5,000km/s에 달하며, 이때의 구심 가속도는 약 1.4m/s2가 되어, 이는 지구 표면의 중력 가속도의 약 1/7이다.

5. 2. 주변 천체 탐색

S2의 궤도는 궁수자리 A* 주변의 다른 천체들을 탐색하는 데 활용될 수 있다. S2의 궤도 운동을 분석하여, 주변에 존재하는 항성 잔해(항성질량 블랙홀, 중성자별, 백색 왜성 등)의 총 질량 상한을 추정할 수 있다.[52] S2가 겪는 궤도 교란을 분석하면, S2 궤도 내에 있는 이러한 보이지 않는 천체들의 총 질량이 궁수자리 A* 질량의 1%를 넘지 않는다는 것을 알 수 있다.[15]

5. 3. 다른 항성과의 비교 (S0-102, S62)

궁수자리 A\* 주위를 공전하는 다른 항성들도 발견되었다. S0-102(S55)는 S2보다 짧은 12.8년의 공전 주기를 갖는다.[26] S0-102는 S2에 비해 어두워 관측에 더 많은 시간이 필요했다. S0-102와 S2는 궤도가 완전히 알려진 항성들로, 이 두 항성의 궤도 관측은 블랙홀 주변의 중력과 일반 상대성 이론 연구에 기여할 수 있다.[26]

이후, 공전 주기가 9.9년으로 더 짧은 항성인 S62가 발견되었다.[27]

6. 사진첩



]

참조

[1] 논문 The nuclear star cluster of the Milky Way: Proper motions and mass
[2] 논문 The two young star disks in the central parsec of the galaxy: Properties, dynamics, and formation
[3] 논문 A Geometric Determination of the Distance to the Galactic Center
[4] 논문 Testing General Relativity with stellar orbits around the supermassive black hole in our galactic center
[5] 논문 Twelve years of spectroscopic Monitoring in the galactic center: The closest look at S-stars near the black hole
[6] Youtube A short documentary on Sagittarius A* https://www.youtube.[...]
[7] 논문 Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole 2020-04-16
[8] 웹사이트 Galactic Center Research http://www2011.mpe.m[...] Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 2013-03-26
[9] 논문 Relativistic redshift of the star S0–2 orbiting the Galactic center supermassive black hole 2019-08-16
[10] 뉴스 Black hole as peep-hole https://www.sciencen[...]
[11] 간행물 Black Holes @ 100 Workshop: Galactic Center https://www.youtube.[...] Black Hole Initiative 2016-04-19
[12] 웹사이트 A star is about to plunge head first toward a monster black hole. Astronomers are ready to watch http://www.syfy.com/[...] 2018-03-07
[13] 간행물 Surfing a black hole http://www.eso.org/p[...] European Southern Observatory
[14] 논문 The S-Star Cluster at the Center of the Milky Way: On the nature of diffuse NIR emission in the inner tenth of a parsec 2012-09
[15] 논문 Monitoring stellar orbits around the massive black hole in the galactic center
[16] 논문 Milky Way's black hole provides long-sought test of Einstein's general relativity 2018-07-26
[17] 뉴스 Star spotted speeding near black hole at centre of Milky Way https://www.theguard[...] 2021-01-18
[18] 논문 Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole https://www.aanda.or[...] 2018-07-26
[19] 웹사이트 Tests of General Relativity https://www.mpe.mpg.[...] 2021-01-17
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[22] 웹사이트 General Relativity Rules: Einstein Victorious In Unprecedented Gravitational Redshift Test https://medium.com/s[...] 2021-01-17
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[24] 웹사이트 Dance around the heart of our Milky Way https://www.mpg.de/1[...] 2021-01-18
[25] 뉴스 The first detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 https://astrobites.o[...] 2021-01-18
[26] 논문 The shortest-known-period star orbiting our galaxy's supermassive black hole
[27] 논문 S62 on a 9.9 yr Orbit around SgrA* American Astronomical Society
[28] 간행물 First successful test of Einstein's General Relativity near supermassive black hole – Culmination of 26 years of ESO observations of the heart of the Milky Way https://www.eso.org/[...] European Southern Observatory 2018-07-26
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[31] 논문 SINFONI in the Galactic Center: Young Stars and Infrared Flares in the Central Light-Month 2005-07
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[33] 논문 Stellar proper motions in the central 0.1 PC of the Galaxy 1997-01
[34] 논문 High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A*: Evidence for a Supermassive Black Hole at the Center of Our Galaxy 1998-12
[35] 논문 The Two Young Star Disks in the Central Parsec of the Galaxy: Properties, Dynamics, and Formation 2006-06
[36] 논문 The infrared L'-band view of the Galactic Center with NAOS-CONICA at VLT 2004-04
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[51] 뉴스 Surfing a Black Hole http://www.eso.org/p[...] ESO 2016-04-15
[52] 저널 The S-Star Cluster at the Center of the Milky Way: On the nature of diffuse NIR emission in the inner tenth of a parsec 2012-09
[53] 저널 Monitoring Stellar Orbits Around the Massive Black Hole in the Galactic Center http://adsabs.harvar[...] IOP Publishing 2009
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