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궁수자리 A*

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목차

1. 개요

궁수자리 A*는 우리 은하 중심에 위치한 초거대 질량 블랙홀 후보이다. 가시광선으로 관측이 어렵지만, 전파, 적외선, X선 관측을 통해 연구가 이루어졌다. 2022년, 사건의 지평선 망원경 협력단은 궁수자리 A*의 첫 번째 이미지를 공개하여 블랙홀임을 확인했다. 주변 별들의 궤도 분석을 통해 질량을 측정하고, 일반 상대성 이론을 검증하는 데 활용된다. 또한, 가스 구름 G2의 접근과 같은 현상을 통해 블랙홀의 물질 흡수 과정을 연구하고 있다.

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궁수자리 A*
기본 정보
이벤트 호라이즌 망원경으로 촬영한 궁수자리 A* (2017년 촬영, 2022년 공개)
이벤트 호라이즌 망원경으로 촬영한 궁수자리 A* (2017년 촬영, 2022년 공개)
별자리궁수자리
거리26,996 ± 33 광년 (8,277 ± 9 파섹)
물리적 특성
질량8.54 × 1036 kg (4.297 ± 0.012 × 106 태양 질량)
식별 정보
심바드 (SIMBAD)NAME Sgr A*
기타 명칭
별칭AX J1745.6-2900, CXOGC J174540.0-290027, SWIFT J1746.3-2850A
추가 정보
발견1974년 12월 1일 Bruce Balick(de), R. L. Brown
종류초대질량 블랙홀
위치은하수 중심
설명궁수자리 A의 일부

2. 관측 및 설명

천문학자들은 가시광선 대역에서 지구와 전파원 사이의 먼지와 가스에 의해 25등급까지 소광되는 효과 때문에, 궁수자리 A*을 관측할 수 없었다.[136] 일부 연구팀은 초장기선 간섭계(VLBI)를 이용하여 라디오파 대역에서 궁수자리 A*의 영상을 얻으려고 시도했다. 1.3 mm의 파장대에서 이루어지는 현존 최고해상도의 측량에서, 시지름 37 마이크로초에 해당하는 전파원이 드러난다.[145] 26,000 광년 거리에 있는 이것은 직경이 4,400만 킬로미터임을 시사한다. 비교 대상을 들자면, 지구와 태양 사이의 거리가 1억 5천만 킬로미터이고, 근일점에 있는 수성과 태양 사이의 거리가 4600만 킬로미터이다. 궁수자리 A*의 고유 운동은 대략 적경에서 연당 -2.70 밀리초, 적위에서 연당 -5.6 밀리초이다.[137]

궁수자리 A*는 궁수자리에 위치해 있다. 궁수자리(궁수) 내의 붉은 원으로 표시된 블랙홀. 이 지도는 좋은 조건에서 맨눈으로 볼 수 있는 대부분의 별들을 보여준다.


궁수자리 A*와 M87*(Messier 87*)의 크기 비교. 궁수자리 A*의 직경은 수성(Mercury)의 궤도보다 작다.


VLBI 기법을 사용하여, 세계 각지의 전파 망원경을 연결한 지구 크기의 전파 망원경으로 궁수자리 A*의 블랙홀을 직접 관측하고 있다. 2008년 시점에서 가장 높은 공간 분해능의 관측은 파장 1.3mm로 이루어졌으며, 전파원의 크기는 각도로 37마이크로초로 측정되었다.[145] 이 크기는 천체까지의 거리를 2만 6천광년으로 하면, 지름 4,400만km에 해당한다. 태양계의 크기와 비교하면, 태양에서 지구까지의 거리가 약 1억 5천만km (1천문 단위), 행성 중에서 태양에 가장 가까운 수성까지의 거리가 약 4,600만km이다. 또한, 궁수자리 A*의 고유 운동도 조사되어, 적경이 1년당 -2.7 밀리초, 적위가 1년당 -5.60 밀리초로 추정되고 있다.[137]

3. 관측사

1933년 칼 잰스키가 궁수자리 방향에서 오는 전파 신호를 처음 발견하면서 은하수 중심에 대한 연구가 시작되었다. 1974년 브루스 발릭과 로버트 브라운은 미국국립천문대의 간섭계를 이용하여 궁수자리 A*를 발견했다. 궁수자리 A*라는 이름은 브라운이 전파원이 "들떠있기" 때문이라고 표현한 데서 유래했다.[138][139]

2002년 라이너 쉐델 연구팀은 별 S2의 10년간 운동 관측 결과를 발표, 궁수자리 A*가 초대질량 블랙홀이라는 증거를 강화했다.[140] 2004년에는 GCIRS 13E라는 중간질량 블랙홀 후보가 발견되어, 초대질량 블랙홀 성장 가설을 뒷받침했다.

2008년 라인하르트 겐젤 연구팀은 궁수자리 A* 중심 천체의 질량이 태양 질량의 431±38만 배임을 측정, 초대질량 블랙홀 존재의 가장 확실한 증거를 제시했다.[142][143]

2022년 사건의 지평선 망원경(EHT) 협력단은 궁수자리 A*의 첫 번째 이미지를 공개, 블랙홀 존재를 확인했다. (이는 M87에 이어 두 번째 블랙홀 이미지이다.)[14][17]

지구와 궁수자리 A* 사이는 먼지와 가스에 의한 성간 소광이 25등급에 달하므로, 가시광선에 의한 분광 관측이 어렵다. 따라서 관측은 주로 적외선, 전파, X선으로 이루어진다.

또한 궁수자리 A*는 상대성 이론의 훌륭한 실험장으로도 생각된다.

3. 1. 전파 관측

칼 잰스키는 1933년 4월에 은하수 중심 방향에서 방출되는 전파를 처음으로 발견했다.[26] 이 전파원은 후에 궁수자리 A로 알려지게 되었다. 이후 관측을 통해 궁수자리 A가 실제로 여러 개의 겹치는 하위 구성 요소로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다.

1974년 2월, 미국 국립 전파 천문대의 전파 간섭계를 사용하여 매우 밝고 조밀한 구성 요소인 궁수자리 A*가 발견되었다.[30][31] 궁수자리 A*라는 이름은 1982년 로버트 브라운이 이 전파원이 "흥미롭다"고 표현했고, 원자의 들뜬 상태를 별표(*)로 표시하는 것에 착안하여 붙였다.[32][33]

VLBI(Very Long Baseline Interferometry) 기법을 사용하여, 세계 각지의 전파 망원경을 연결한 지구 크기의 전파 망원경으로 궁수자리 A* 블랙홀을 직접 관측하려는 노력이 진행 중이다.

2008년 시점에서 가장 높은 공간 분해능의 관측은 파장 1.3mm로 이루어졌으며, 전파원의 크기는 각도로 37마이크로초로 측정되었다.[93] 이 크기는 천체까지의 거리를 2만 6천광년으로 하면, 지름 44억km에 해당한다. 또한, 궁수자리 A*의 고유 운동도 조사되어, 적경이 1년당 -2.7 밀리초, 적위가 1년당 -5.60 밀리초로 추정되고 있다.[18][19][20]

2022년 5월 12일, 사건의 지평선 망원경(EHT)은 궁수자리 A* 블랙홀의 직접 관측에 성공했다고 발표했다. 이는 M87 중심의 초거대 질량 블랙홀에 이어 두 번째 성공 사례이다.[93][94]

3. 2. 적외선 관측

1992년부터 항성의 운동 속도와 궁수자리 A*와의 위치 관계를 측정하여 궁수자리 A*의 질량을 추정했고, 이를 통해 궁수자리 A*가 초거대 질량 블랙홀이라는 증거가 축적되었다.

2004년에는 궁수자리 A*에서 약 3광년 떨어진 곳을 공전하는 천체 GCIRS 13E에서 중간 질량 블랙홀 후보가 발견되었다.[34] GCIRS 13E는 7개의 항성으로 이루어진 성단인데, 그 안에 태양 질량의 1,300배에 달하는 블랙홀이 있을 것으로 추정된다. GCIRS 13E의 존재는 초거대 질량 블랙홀이 주변의 블랙홀과 항성을 흡수하여 성장했다는 가설을 뒷받침한다.

2008년 VLT 관측 결과, 궁수자리 A*에서 나오는 근적외선 방출이 급격히 증가하는 현상이 발견되었다.[41] 서브밀리미터파와의 동시 관측에 따르면, 이 현상은 블랙홀로 빨려 들어가는 가스 덩어리가 늘어나 붕괴하면서 가열되어 발생한 것으로 추정된다.

3. 3. X선 관측



2012년, X선 관측 위성 누스타(NuSTAR)의 관측으로 고에너지 X선에서 궁수자리 A* 부근의 상세 정보가 처음으로 포착되어, 블랙홀 근방 고온 물질에서 방출되는 X선 강도 변화 폭발 현상이 검출되었다. 최대 강도일 때 블랙홀 근방 물질 온도는 1억 K에 달하는 것으로 추정된다.

궁수자리 A*에서 매우 밝은 X선 플레어가 검출되었다.


2015년 1월 5일, 찬드라 X선 관측 위성은 궁수자리 A*에서 평상시의 400배나 되는 강도의 X선 폭발적 증광을 검출했다고 발표했다. 이 특이 현상 발생 원리에 대해서는 두 가지 가설이 제시되었다. 첫째는 소행성이 블랙홀에 삼켜질 때의 폭발이다. 블랙홀에 접근하여 조석력으로 붕괴된 소행성이 블랙홀 주위를 잠시 회전하며 삼켜질 때, 블랙홀 주위 가스와 충돌하여 유성처럼 발광한다는 것이다. 다른 가설은 궁수자리 A*로 떨어지는 가스 중 자기력선이 태양 플레어 발생 기구로 생각되는 자기 재결합을 일으켜 폭발했다는 것이다.

4. 중심 블랙홀

우리 은하의 중심부에 위치한 궁수자리 A*는 초대질량 블랙홀로 추정되는 천체이다. 과학자들은 궁수자리 A*의 질량을 측정하기 위해 두 가지 방법을 사용했다.

첫 번째 방법은 블랙홀에 매우 가까이 있는 별들의 궤도를 관찰하고, 케플러의 법칙을 이용하여 궤도에 둘러싸인 질량을 측정하는 것이다. 독일 연구팀은 이 방법을 통해 궁수자리 A*의 질량이 태양 질량의 431만±38만 배라고 측정했고,[142] 미국 연구팀은 410±60만 태양 질량으로 측정했다.[149] 이 질량은 직경 4,400만 km의 구 안에 집중되어 있는데, 이는 이전 측정보다 밀도가 10배나 크다는 것을 의미한다.

두 번째 방법은 블랙홀로부터 약 1파섹 내에 있는 수천 개의 별들의 고유 운동 측정값을 통계역학에 적용하여 블랙홀의 질량과 이 영역에 분포된 질량을 함께 산출하는 것이다. 이 방법을 통해 블랙홀의 질량은 궤도 측정값과 일치하는 결과가 나왔고, 분포된 질량은 100만±50만 태양 질량으로 측정되었다.[146] 이 분포된 질량은 별과 별의 잔해로 구성되어 있을 것으로 추정된다.

이러한 관측 결과는 우리 은하 중심에 초대질량 블랙홀이 존재한다는 강력한 증거를 제시한다. 특히, 별 S2는 15.2년 주기로 중심 천체에 매우 가까이 접근하는 타원 궤도를 따라 움직인다.[148] S2 별의 운동을 통해 중심 천체의 질량이 410만 태양 질량으로 측정되었다.[149] 또한, 중심 천체의 반지름은 6.25 광시(천왕성 궤도 직경 정도)보다 작아야 한다는 것이 밝혀졌다.[150]

궁수자리 A*에서 관측되는 라디오파와 적외선 에너지는 블랙홀로 떨어지는 가스와 먼지가 수백만 도로 가열되어 방출되는 것으로 해석된다.[151] 궁수자리 A*는 비교적 작은 질량과 낮은 광도를 가지고 있어, 우리 은하가 세이퍼트 은하가 아니라는 것을 시사한다.[136]

2018년에 발표된 관측 결과에 따르면, 궁수자리 A*의 이미지는 일반 상대성 이론의 예측과 일치한다.[54] 2019년에는 궁수자리 A*와 상호작용한 후 우리 은하에서 튕겨져 나온 별 S5-HVS1이 발견되었다.[59][60]

궁수자리 A* 궤도를 도는 주요 별들의 궤도 요소[152]
별 이름다른 이름궤도 장반경 (")이심률궤도 경사각 (°)공전 주기 (년)근점 통과 시각 (년)
S1S0-10.595 ± 0.0240.556 ± 0.018119.14 ± 0.21166.0 ± 5.82001.80 ± 0.15
S2S0-20.1255 ± 0.00090.8839 ± 0.0019134.18 ± 0.4016.00 ± 0.022002.33 ± 0.01
S4S0-30.3570 ± 0.00370.3905 ± 0.005980.33 ± 0.0877.0 ± 1.01957.4 ± 1.2
S8S0-40.4047 ± 0.00140.8031 ± 0.007574.37 ± 0.3092.9 ± 0.411983.64 ± 0.24
S9S0-50.2724 ± 0.00410.644 ± 0.02082.41 ± 0.2451.3 ± 0.701976.71 ± 0.92
S12S0-190.2987 ± 0.00180.8883 ± 0.001733.56 ± 0.4958.9 ± 0.221995.59 ± 0.04
S13S0-200.2641 ± 0.0160.4250 ± 0.002324.70 ± 0.4849.00 ± 0.142004.86 ± 0.04
S14S0-160.2863 ± 0.00360.9761 ± 0.0037100.59 ± 0.8755.3 ± 0.482000.12 ± 0.06
S170.3559 ± 0.00960.397 ± 0.01196.83 ± 0.1176.6 ± 1.01991.19 ± 0.41
S180.2379 ± 0.00150.471 ± 0.012110.67 ± 0.1841.9 ± 0.181993.86 ± 0.16
S190.520 ± 0.0940.750 ± 0.04371.96 ± 0.35135 ± 142005.39 ± 0.16
S210.2190 ± 0.00170.764 ± 0.01458.8 ± 1.037.00 ± 0.282027.40 ± 0.17
S240.944 ± 0.0480.8970 ± 0.0049103.67 ± 0.42331 ± 162024.50 ± 0.03
S310.449 ± 0.0100.5497 ± 0.0025109.03 ± 0.27108.0 ± 1.22018.07 ± 0.14
S380.1416 ± 0.00020.8201 ± 0.0007171.1 ± 2.119.20 ± 0.022003.19 ± 0.01
S541.20 ± 0.870.893 ± 0.07862.2 ± 1.4477 ± 1992004.46 ± 0.07
S55S0-1020.1078 ± 0.00100.7209 ± 0.0077150.1 ± 2.212.80 ± 0.112009.34 ± 0.04


5. 주변 천체

궁수자리 A* 주변에는 "S별"로 불리는 여러 개의 별들이 존재한다.[75] 이 별들은 성간 먼지가 가시광선 파장에서 시야를 가리기 때문에, 주로 K 대역 적외선 파장에서 관측된다.



이 별들은 초대질량 블랙홀에 매우 빠른 속도로 가깝게 접근하기 때문에, 궁수자리 A*의 크기를 제한하고 궤도의 근점 이동과 같은 일반 상대성 이론 관련 효과를 관찰하는 데 유용하다. 기준, S4714는 궁수자리 A*에 가장 가깝게 접근하는 기록을 가지고 있으며, 약 12.6AU 거리에서 빛의 속도의 약 8%로 이동한다.[77] 이는 토성이 태양에 접근하는 거리와 비슷하다.

다음 표는 궁수자리 A* 주변의 주요 별들에 대한 정보를 담고 있다.[78]

id1id2a (각초)e (이심률)i (°)Ω (°)ω (°)Tp (년)P (년)Kmagq (AU)v (%c)
S1S0-10.59500.5560119.14342.04122.302001.800166.014.702160.70.55
S2S0-20.12510.8843133.91228.0766.252018.37916.113.95118.42.56
S8S0-40.40470.803174.37315.43346.701983.64092.914.50651.71.07
S12S0-190.29870.888333.56230.10317.901995.59058.915.50272.91.69
S13S0-200.26410.425024.7074.50245.202004.86049.015.801242.00.69
S14S0-160.28630.9761100.59226.38334.592000.12055.315.7056.03.83
S620.09050.976072.76122.6142.622003.3309.916.1016.47.03
S47140.1020.985127.7129.28357.252017.2912.017.712.68.0


5. 1. 가스 구름 G2의 접근

2002년 우리 은하 중심부 영상에서 처음 포착된 가스 구름 G2는[157] 2012년 네이쳐지에 게재된 논문에서 궁수자리 A*의 강착영역으로 진입하는 것으로 확인되었다.[158] G2는 지구 질량의 약 3배 정도이다. G2의 궤도 예측은 2014년 초에 블랙홀에 가장 가깝게 접근할 것임을 시사했다. 이때 가스 구름은 블랙홀로부터 사건의 지평선의 반지름의 3,000배(또는 ≈260 AU, 36 광시) 정도의 거리에 있을 것으로 예측되었다. G2와 블랙홀에 미칠 영향에 관해서는 여러 주장이 있었는데, G2는 2009년부터 파괴 중인 것으로 관측되어 왔고,[158] 접근에 의해 완벽하게 파괴되어 순간적으로 상당한 X-선 및 다른 방출선의 방출을 야기할 것으로 예측되었다. 이에 대해 다른 천문학자들은 가스 구름이 어두운 별을 가리고 있거나, 심지어 궁수자리 A*의 조석력과는 대조적으로 구름을 유지하며 어떤 효과도 없이 온전하게 스쳐 지나갈 항성 질량의 블랙홀일 수도 있다고 주장했다.[157]

2013년 5월에는 구름 그 자체의 조석 효과뿐만 아니라, 구름의 근점거리 위치에 앞서, G2는 우리 은하의 중심부 근처를 공전하는 것으로 여겨지는 블랙홀과 중성자성 개체와 복합적인 근접 경험이 있을지도 모른다고 발표되었다.[159] 이러한 근접은 우리 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 근처의 영역에 대한 몇 가지 이해를 제공할 수도 있다.[160]

궁수자리 A*의 평균 흡수율은 그 질량의 블랙홀에 비해 매우 작지만,[161] 지구와 매우 가깝기 때문에 관측할 수 있었다. 이 G2의 통과는 초대질량 블랙홀이 어떻게 물질을 흡수하는지에 대해 엄청난 학습을 할 수 있는 기회를 제공할 것이었다. XMM, EVLA, INTEGRAL, 스위프트, 페르미 및 VLT와 켁을 통해 최대 근접이 관측되었다.[162]

ESO[163]와 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 연구팀에 의해 근접 통과 시뮬레이션이 만들어지기도 했다.[164] 과학자들은 구름이 블랙홀에 근접하는 동안 "실험과 같은 느낌으로 흥미진진하다"라고 말했고, 상호작용이 새로운 정보와 이해를 제공하는 효과를 일으키길 희망했다.[165]

블랙홀에 대해 구름이 최대로 접근할 동안과 접근 후에는 아무것도 관측되지 않았다. 이는 "불꽃"(fireworks)이 존재하지 않았으며 "실패"(flop)를 의미한다.[167] 2014년 3월 19일과 20일에 UCLA 은하 중심 연구팀은 관측 결과를 발표했는데, G2는 구름이 중심의 별을 가질 가능성이 있다는 단순한 가스 구름 가설의 예측과는 대조적으로, 아직도 상호작용 중이라고 밝혔다.[166]

2014년 7월 21일, 유럽 남방 천문대의 초거대망원경(VLT) 관측에 기반한 분석이 발표되었다. 이 분석에 따르면, G2는 독립된 구름이 아니라 연속적이지만 얇은 물질의 흐름 내의 빽빽한 군집일 수 있으며, 원래 예측했던 불꽃을 야기할 블랙홀을 공전하는 물질 원반에서 오는 갑작스러운 돌풍보다는 일정한 미풍의 역할을 할 수도 있다고 결론내렸다. 이 가설을 뒷받침하는 것으로, G2와 거의 동일한 궤도를 가지며 13년 전 블랙홀 근처를 통과한 구름 G1과 거기에 끌려가는 G2로 여겨지는 가스 꼬리가 일치한다. 이는 두 구름 모두 거대한 단일 가스 흐름 내의 빽빽한 군집임을 의미한다.[167]

앤드리아 게즈 등은 2014년에 G2가 가스 구름이 아니라 블랙홀을 함께 공전하다가 거대한 별로 합쳐진 쌍성일 가능성을 제안했다.[81][91]

참조

[1] 문서 Reid and Brunthaler 2004
[2] 논문 Polarimetry and astrometry of NIR flares as event horizon scale, dynamical probes for the mass of Sgr A* https://www.aanda.or[...] 2023-09-00
[3] 웹사이트 Astronomers reveal first image of the black hole at the heart of our galaxy https://eventhorizon[...] 2022-05-12
[4] 뉴스 Scientists find proof a supermassive black hole is lurking at the centre of the Milky Way https://metro.co.uk/[...] Metro 2018-10-31
[5] 뉴스 A 'mind-boggling' telescope observation has revealed the point of no return for our galaxy's monster black hole https://www.middleto[...] Business Insider 2018-10-31
[6] 웹사이트 Astronomers See Material Orbiting a Black Hole *Right* at the Edge of Forever https://www.syfy.com[...] Syfy Wire 2018-11-07
[7] 웹사이트 Equatorial and Ecliptic Coordinates calculator https://frostydrew.o[...]
[8] 논문 Intense sub-arcsecond structure in the galactic center 1974-12-01
[9] 문서 Melia 2007
[10] 논문 Precessing Jets in Sagittarius A: Gas Dynamics in the Central Parsec of the Galaxy 1982-11-01
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[12] 뉴스 The Nobel Prize in Physics 2020 https://www.nobelpri[...] 2020-10-06
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