우리 은하에서 가장 빠른 별 S301, 궁수자리 A*의 회전까지 밝혀낼까

우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀 궁수자리 A(Sagittarius A, Sgr A*)** 주변에서 지금까지 알려진 별 중 가장 빠르고 가까운 별이 발견됐다. ‘S301’로 명명된 이 별은 가장 가까이 접근할 때 초속 약 25,000km, 즉 빛의 속도의 약 8%까지 가속될 것으로 예상된다. 블랙홀과의 거리는 지구와 태양 사이 거리의 약 12배에 불과하다.

S301의 진짜 가치가 단순히 속도 기록에 있는 것은 아니다. 블랙홀에 매우 가까이 다가가는 궤도 덕분에 천문학자들은 궁수자리 A*의 회전과 회전하는 블랙홀이 주변 시공간에 미치는 영향을 측정할 기회를 얻게 된다.

8.7년마다 블랙홀 곁을 스치는 극단적 궤도

S301은 길고 가느다란 타원형 궤도를 따라 궁수자리 A*를 약 8.7년에 한 바퀴 돈다. 블랙홀은 이 타원의 한쪽 끝에 가까이 자리하며, 별은 그 지점에서 가장 가까운 접근점인 근일점(pericenter)을 통과한다.

예상 근일점 거리는 약 12천문단위(AU)다. 이는 대략 태양과 토성 사이의 거리이며, 이번 궤도 측정에서는 블랙홀의 중력반지름 약 280배에 해당한다.

S301이 블랙홀을 향해 떨어질수록 중력에 의해 속도가 급격히 증가한다. 그 결과 근일점 부근에서 약 25,000km/s에 도달할 것으로 예측된다. 이는 현재 우리 은하에서 관측된 별 가운데 가장 빠른 속도이며, 궁수자리 A*를 탐사하는 별 중 가장 가까운 사례이기도 하다.

다만 S301은 매우 희미하다. K밴드 등급은 약 19.3으로 보고됐으며, 연구진은 주계열성일 가능성이 높은 것으로 분류했다. 어두운 밝기 때문에 별의 물리적 특성을 정밀하게 파악하는 데는 여전히 어려움이 있다.

2023년 포착, 2017년 자료에서도 확인

GRAVITY 공동연구팀은 2023년 봄 유럽남방천문대(ESO)의 초대형망원경 간섭계(VLTI)에 설치된 GRAVITY 장비로 S301을 처음 발견했다. 당시 별은 궁수자리 A*에서 북서쪽으로 약 15밀리초각 떨어진 곳에 나타났고, 이후 바깥쪽으로 이동했다. 2023년 관측에서 S301은 빠르면서도 약간 휘어진 움직임을 보였다.

연구진은 이 움직임을 토대로 별의 궤도를 추정한 뒤, S301이 과거에 나타났을 위치를 계산해 GRAVITY의 관측 기록을 다시 살폈다. 그 결과 2021년 자료에서 별을 찾아냈고, 이어 2017년 자료에서도 확인하면서 관측 기간을 넓혔다.

그러나 현재 궤도는 아직 잠정적이다. 특히 S301의 시선방향 속도, 즉 지구에서 보았을 때 우리 쪽 또는 반대쪽으로 움직이는 속도는 아직 측정되지 않았다. 앞으로의 관측은 별의 3차원 운동과 궤도 매개변수를 더욱 정확히 정하는 데 중요하다.

블랙홀의 회전이 궤도를 비틀 수 있다

회전하는 블랙홀은 주변 물체를 단순히 끌어당기기만 하지 않는다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 블랙홀의 각운동량은 주변 시공간을 함께 끌고 회전시키며, 이를 프레임 드래깅(frame-dragging) 또는 **렌즈-티링 세차(Lense–Thirring precession)**라고 부른다. 별이 블랙홀 주위를 돌면 이 효과가 궤도면의 방향을 서서히 바꿀 수 있다.

프레임 드래깅의 영향은 블랙홀에서 멀어질수록 빠르게 약해진다. 따라서 근일점 거리가 유난히 짧은 S301은 더 넓은 궤도를 도는 별보다 궁수자리 A*의 회전에 훨씬 민감하다.

천문학자들이 S301의 위치를 오랜 기간 정밀하게 측정하면, 회전하는 블랙홀 때문에 누적되는 궤도면의 미세한 변화를 찾을 수 있다. 이후 관측 결과를 블랙홀이 빠르게 회전할 때 예상되는 궤도 변화, 또는 회전하지 않는 경우의 변화와 비교하는 방식이다.

다만 이는 아직 이뤄진 측정이 아니라 앞으로 가능한 연구다. S301은 2031년 말 궁수자리 A*에 다시 가까이 접근할 것으로 예상된다. 그 전부터 근접 통과 뒤 약 10년 동안 정밀한 위치 관측을 이어가면, 연구진은 누적된 움직임이 빠르게 회전하는 블랙홀과 정지한 블랙홀 가운데 어느 쪽의 예측에 더 부합하는지 판단할 수 있을 전망이다.

장기적으로는 ‘무모발 정리’ 시험까지

S301은 장기적으로 블랙홀의 **사중극자 모멘트(quadrupole moment)**를 측정하는 더 어려운 실험에도 활용될 수 있다. 사중극자 모멘트는 블랙홀의 회전이 질량만으로 결정되는 중력장에 어떤 형태의 왜곡을 더하는지를 나타내는 물리량이다.

일반상대성이론의 ‘커 블랙홀’ 해에 따르면, 고립된 블랙홀의 외부에서 측정할 수 있는 성질은 질량과 회전으로 정해진다. 천체물리학적 블랙홀의 전하는 무시할 수 있을 정도로 작다고 예상된다. 회전과 사중극자 모멘트 사이의 예측된 관계를 검증하면, 이른바 **무모발 정리(no-hair theorem)**를 시험할 수 있다.

하지만 사중극자 모멘트를 측정하는 일은 회전 자체를 확인하는 것보다 훨씬 어렵다. 신호가 더 작고, 은하 중심에 있는 다른 별이나 아직 발견되지 않은 компакт 천체가 만드는 중력 섭동과 구분하기도 쉽지 않기 때문이다. 연구진도 이를 확정된 결과가 아니라 장기적인 가능성으로 제시하고 있다.

다음 단계는 궤도 정밀화

당장의 우선 과제는 S301을 계속 추적해 궤도 모형을 개선하는 것이다. 추가 관측이 이뤄지면 별의 시선속도를 확인하고, 근일점에 도달하는 시점과 거리를 더 정확히 계산할 수 있다. 동시에 주변 별과 보이지 않는 천체가 만드는 고전적 중력 효과를 상대론적 효과와 분리하는 데도 도움이 된다.

S301의 궤도 예측이 유지된다면, 이 희미하고 빠른 별은 초대질량 블랙홀이 어떻게 회전하고 그 회전이 주변 시공간에 어떤 영향을 미치는지 시험하는 정밀 탐사선이 될 수 있다. 기록적인 속도는 눈길을 끄는 특징이지만, S301의 핵심 과학적 의미는 궁수자리 A*를 연구할 수 있는 가장 가까운 자연 실험실 중 하나를 제공한다는 데 있다.