2019년 11월 28일, 국제최고과학정기간행물 ≪ 자연 ≫ 은 온라인으로 우리 나라 천문학자들이 주도하는 중대한 발견을 발표했다.중국과학원 국가천문대 류지펑, 장하오퉁 연구원이 이끄는 연구팀은 지금까지 가장 큰 질량의 항성급 블랙홀을 발견했다. 이 70배의 태양 질량의 초대형 항성급 블랙홀은 이론적 예언의 질량 상한선을 훨씬 초과하여 항성급 블랙홀 형성에 대한 사람들의 인식을 전복시켰으며, 반드시 항성 진화와 블랙홀 형성 이론의 혁신을 추진할 것이다.

1. 우주흡광기

호킹은 마지막 저서'십문'에서"사실은 때때로 소설보다 더 기묘하다. 블랙홀은 공상 과학 작가가 상상하는 어떤 것보다 더 기묘하다"고 썼다.1915년에 아인슈타인은 광의상대성이론을 제기하였는데 독일의 물리학자 칼 스와시는 아인슈타인장방정식의 정확한 해석을 유도하여 블랙홀의 존재를 예시하였다.이때부터 인류는 이런 신비한 천체에 대한 상상과 탐색을 멈추지 않았다.

1965년, 백조자리 X-1은 강한 X선 복사로 인해 처음으로 발견된 블랙홀 후보체가 되었다;2015년, 처음으로 탐지된 중력파는 블랙홀의 존재에 더욱 구체적인 증거를 제공했다.2019년, 천문학자들은 10년에 걸쳐 4대륙의 8개 관측점을 리용하여 블랙홀의 시각적증거인 첫 블랙홀"방용"을 포획하여 한때"보이지 않고 만질수 없는"이 기괴한 천체에 일말의 친화력을 가지게 했다.블랙홀은 도대체 무엇이며, 왜 한 세대 천문학자들을 이렇게 매혹시켰을까?자체는 빛을 발하지 않고 밀도가 매우 크다 (태양질량의 10배에 달하는 항성을 직경이 북경의 6환크기의 구체에 압축하면 이런 밀도는 블랙홀의 밀도에 해당된다.) 는 아주 강한 흡인력을 갖고있어 그 곁을 지나가는 그 어떤 물질도 속도가 가장 빠른 빛조차도 도망칠수 없다. 이런 신기한 천체가 바로 블랙홀이다.따라서 블랙홀은 명실상부한 우주 진공'흡광기'라고 할 수 있다.

천문학자들은 블랙홀의 질량에 따라 크게 항성급 블랙홀(태양질량 100배 이하), 중질량 블랙홀(태양질량 100배-10만배), 초질량 블랙홀(태양질량 10만배 이상)으로 나눈다.항성급 블랙홀은 대질량 항성의 죽음으로 형성된 것으로 우주에 널리 존재하는'주민'이다.한 별이 마지막까지 진화하면 남은 질량이 너무 많다면 (태양의 질량의 3배보다 크다.) 백색왜성도 형성할수 없고 중성자성도 될수 없다. 일단 사망단계에 들어서면 그 어떤 힘도 이 별이 궁극적인 중력의 작용하에 지속적으로 붕괴되여 최종적으로 치밀한 블랙홀을 형성하는것을 막을수 없다.구상성단과 왜성계 중심에는 중질량의 블랙홀이 있을 수 있지만 은하계 중심에는 초질량 블랙홀이 존재한다. 예를 들어 은하계 중심에는 약 400만 배의 태양질량의 초질량 블랙홀이 있다.

2. 항성급 블랙홀을 어떻게 관측할 것인가

블랙홀은 신비롭고 재미있다. 만약 용이 심연에 잠입하고, 하수인을 숨기고, 우주 성해 속으로 잠행한다면.만약 블랙홀이 정상적인 항성과 밀접한 쌍성시스템을 구성한다면 블랙홀은 흉악한 발톱을 드러내고 강대한"입맛"으로 항성과 함께 있는 기체물질을 직접 흡입하여 흡적판을 형성하고 밝은 X선광을 발산하게 된다 (그림 1).이 엑스선 빛은 이 물질들이 블랙홀에 삼키기 전의"회광회조"와 같으며, 바로 이"조진"이 천문학자들이 지난 몇 년 동안 블랙홀의 종적을 추적하는 강력한 단서가 되었다.그런 다음 천문학자들은 동반성의 움직임을 모니터링하여 밝은 동반성의 블랙홀 시스템에 적용되는 블랙홀의 질량을 측정합니다.또 다른 방법은 희소한 이중 블랙홀에 대해 과학자들은 주로 중력파 실험을 통해 시공간의 잔잔한 물결을 경청하고 나아가 블랙홀 병합 사건을 추측하는 것이다.

지금까지 은하계의 거의 모든 항성급 블랙홀은 블랙홀이 동반성 기체를 흡적하여 방출하는 X선을 통해 식별되었다.지난 50년 동안 사람들은 이 방법으로 약 20개의 블랙홀을 발견했는데, 질량은 모두 태양의 3~20배 사이였다.

은하 내에는 수천억 개의 별들이 있다. 이론적으로 예측하면 은하계에는 수억 개의 대질량 사망으로 형성된 별급 블랙홀이 있어야 한다. 블랙홀 쌍성 계통에서는 X선 복사를 할 수 있는 것이 극히 일부에 불과하다.블랙홀과 그 동반성이 거리가 멀면 우리의"대위왕"도 평온하고 온화한 일면을 보이는데 이런 평정적 (동반성기체를 흡입하지 않는) 블랙홀에 대해 어떻게 수색할것인가?천문학자들은 이 최대 항성급 블랙홀을 발견하는 과정에서 새로운 답을 내놓았다.

그림 1: 블랙홀의 흡적이 X선을 분사하는 예술상상도

3."깊이 숨겨져 드러나지 않는"블랙홀을 포착한다

국가천문대가 령도하는 연구팀은 드넓은 성해에서 이상을 나타내는 쌍성시스템을 발견했는데 여기에는 깊이 숨어있고 드러나지 않는 블랙홀이 포함되지 않을가?700여 일의 쫓는 길에는 고난과 멋이 담겨 있다.

2016년 초, LAMOST과학순천부 주임 장하오퉁 연구원과 윈난천문대 한점문 원사는 LAMOST를 이용하여 쌍성 스펙트럼을 관측하고 쌍성 시스템의 연구 계획을 전개할 것을 제기하였으며, 케플러의 한 천구 (K2-0) 중 3000여 개의 천체를 선택하여 2년 동안 스펙트럼 모니터링을 진행하였다.이 가운데 규칙적인 주기적 운동과 특이한 스펙트럼 특징을 나타내는'걸어서 바람을 당기는'B형 별이 있어 연구자들의 관심을 끌고 있다.

이 LAMOST의"눈"의 B형 성광 스펙트럼은 매우 풍부한 정보를 가지고 있으며, 그것의 유효 온도, 표면 중력, 금속 풍도 등 중요한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 스펙트럼 중의 정지에 가깝고 운행 방향과 B형 별의 반위상 명선 (Hα 발사선) 은 이 별에 충분한 신비감을 더한다.연구진은 이 B형 별의 배후에 반드시 이야기가 있을 것이라고 의심했다. 그것은 도대체 보이지 않는"누구"를 에워싸고 운동하는가?진짜 블랙홀이 아닐까!천문학자들은 우주의 진실을 쫓는 길에서 어떤 가능성도 쉽게 놓치지 않는다.

연구진은 이 특수 B형 별 배후의 진상을 더 검증하기 위해 곧바로 스페인 10.4m 가나리대망원경(GTC)의 21차례 관측과 미국 10m 케이크망원경(Keck)의 7차례 고해상도 관측을 신청해 B형 별의 성질을 더 확인했다.

그림 2: LB-1 시스템에서 B형 별과 블랙홀의 운동 법칙과 속도 곡선

스펙트럼 정보에 따르면, 연구원들은 B형 별의 금속 풍도가 태양 풍도의 약 1.2배, 질량은 태양 질량의 약 8배, 나이는 약 35백만 년이라고 계산했다.B형 별과 Hα 발사선의 속도 진폭의 비율에 근거하여, 연구자들은 이 쌍성 시스템에 질량이 약 70배인 태양 질량의 보이지 않는 천체가 존재하며, 그것은 블랙홀일 수밖에 없다는 것을 계산해냈다.B형 별 배후의"큰 BOSS"는 이렇게 천문학자에 의해 파헤쳐졌다. 이런 결과는 의심할 여지 없이 사람들을 흥분시키고 놀라게 했다. 그러나 기회는 영원히 준비된 사람에게 남겨졌다. 2년 전 망망한 성해의"그물 던지기"가 없었다면 오늘의 이"주역"의 출현도 없었을 것이다.

이 거대한 항성급 블랙홀을 발견하는 데 LAMOST가 기여한 것을 기념하기 위해 천문학자들은 블랙홀이 포함된 이 쌍성 시스템에 LB-1 (그림 3) 이라고 명명했다.알려진 다른 항성급 블랙홀과 달리 LB-1은 어떤 X선 관측에서도 탐지된 적이 없으며, 이 블랙홀은 그 동반성과 거리가 멀다 (1.5배 일지거리).연구진은 미국 찬드라 X선 천문대로 이 소스를 관측한 결과 새로 발견된 이 블랙홀이 별을 동반한 흡적이 매우 미약해'평온하고 온건한'항성급 블랙홀'챔피언'이라는 것을 발견했다.

그림3: LB-1의 예술상상도 (유경천화)

LB-1은 X선 복사가 조용한 쌍성 시스템으로, 일반적인 X선 방법을 이용하여 이런 종류의 블랙홀을 수색하는 것은 통하지 않는다.오랫동안 사람들은 레이디얼 속도 모니터링으로 평정적인 블랙홀 쌍성을 발견할 수 있다고 생각했는데, 지금까지 가장 큰 질량의 블랙홀의 발견이 이를 증명했다.

4. 블랙홀"우승"의 전생과 현생

2015년부터 미국 레이저 간섭 중력파 천문대 (LIGO) 및 유럽 처녀자리 중력파 천문대 (Virgo) 의 중력파 관측 실험에서 이미 수십 배의 태양 질량의 블랙홀이 발견되었는데, 질량은 이전에 알려진 은하계의 항성급 블랙홀보다 훨씬 높다.

이번에 연구진이 발견한 태양 질량의 70배에 달하는 이 슈퍼 블랙홀은 은하계 내에도 이런 대질량 항성급 블랙홀이 존재한다는 것을 밝혀냈을 뿐만 아니라 항성급 블랙홀의 질량 상한선에 대한 인간의 인식도 새로 고쳤다 (그림 4).

이 논문의 제1저자인 류지펑 연구원은 일반 모델은 대질량 항성급 블랙홀이 주로 저금속 풍도 (태양 금속 풍도 1/5 미만) 환경에서 형성된다고 생각하지만 LB-1은 태양 금속 풍도와 비슷한 B형 별이 있다고 소개했다.현재 항성 진화 이론은 태양 금속의 풍도에서 태양 질량의 최대 25배의 블랙홀만 형성할 수 있다고 예언하고 있기 때문에 LB-1에서 블랙홀의 질량은 기존 항성 진화 이론의'금지구역'을 돌파했다.이것은 별이 블랙홀을 형성하기 위해 진화하는 것에 관한 이론이 고쳐지거나 이전에 어떤 블랙홀 형성 메커니즘이 무시되었음을 의미할 수 있다.라이고 대장 데이빗.레츠는"은하계 내에서 태양 질량의 70배에 달하는 블랙홀이 발견되면 천문학자들이 항성급 질량 블랙홀의 형성 모델을 고쳐쓰도록 강요할 것이다.이 비범한 성과는 지난 4년간 LIGO 및 Virgo가 탐지한 이중 블랙홀 병합 사건과 함께 블랙홀 천체 물리 연구의 부흥을 추진할 것"이라고 말했다.

그림 4: LB-1과 중력파 병합 사건, X선 방법으로 발견 된 블랙홀의 질량 분포

또 다른 가능성은 LB-1의 블랙홀이 항성에 의해 붕괴되어 형성되지 않았을 수도 있다.연구진은 LB-1이 처음에는 3체 시스템으로 관측된 B형 별이 가장 바깥 궤도에 위치해 질량이 가장 작은 구성 부분이었으나 현재의 블랙홀은 최초 내부의 쌍성으로 형성된 쌍블랙홀이 합쳐진 것으로 추정했다.이런 상황에서 이 시스템은 블랙홀 병합 사건의 절호의 후보체가 될 것이며, 3체 시스템 중 이중 블랙홀 형성을 연구하는 데 유일무이한 실험실을 제공할 것이다.

5."스펙트럼의 왕"과"블랙홀의 왕"의 상호 성과

이'블랙홀의 왕'의 발견은 LAMOST 망원경의 강력한 스펙트럼 획득 능력을 충분히 입증했다.LAMOST는 4000개의 눈 (4000개의 광섬유) 을 가지고 있으며 한 번에 4000개에 가까운 천체를 관측할 수 있다.2019년 3월, LAMOST는 1125만 개의 스펙트럼을 공개적으로 발표하여 세계 최초로 천만 개를 돌파한 스펙트럼 순천 프로젝트가 되었으며, 천문학자들은 전 세계에서 스펙트럼 획득률이 가장 높은'스펙트럼의 왕'(그림 5) 으로 불린다.

선진설비는 새로운 발견을 촉진하였는데 이번 연구에서 우리 나라가 자주적으로 연구제작한 LAMOST는 대체할수 없는 역할을 하였다.2016년 11월부터 연구진은 스펙트럼 쌍성을 발견하고 연구하기 위해 라모스트를 이용해 케플러의 한 천구에 있는 3천여 개의 별을 2년 동안 26차례 관측했으며 누적 노출 시간은 약 40시간이다.만약 일반 4미터 망원경을 이용하여 전문적으로 이런 블랙홀 (1년 365일 관측, 하루 8시간 관측) 을 찾는다면, 같은 확률로 40년이 걸린다!이것은 LAMOST의 높은 관측 효율을 충분히 보여준다!

그림 5： LAMOST 망원경과 별하늘 (중국 국가천문대 제공)

"공공이 그 일을 잘하려면 반드시 먼저 그 그릇을 이롭게 해야 한다."LAMOST라는"천문리기"는 천문학자들이 오늘의 주역인"블랙홀의 왕"을 발견하는데 조력하였고"블랙홀의 왕"의 출현도"스펙트럼의 왕"인 LAMOST에 더욱 많은 다채로움을 더해주었다.

지금까지 가장 큰 질량의 항성급 블랙홀이자 LAMOST가 발견한 첫 번째 블랙홀로, 그것의 출현은 LAMOST의 순천 우세를 이용하여 블랙홀을 수색하는 새로운 시대의 도래를 상징할 것이다."스펙트럼의 왕"과"블랙홀의 왕"의 상호 성과는 천문계에서 흥미진진한 미담이 될 것이라고 믿는다.