S301의 기록적인 궤도, 궁수자리 A*의 숨은 회전을 추적한다

블랙홀에서 얼마나 가까운가

S301의 근접점은 궁수자리 A*에서 약 280 중력반지름 떨어진 곳으로 추정된다. 거리로 환산하면 12AU를 조금 넘는 수준이며, 태양과 토성 사이 거리와 비슷하다.

비교 대상으로 자주 언급되는 S2는 2018년 근접 통과 당시 궁수자리 A*에서 약 120AU 떨어져 있었다. 따라서 S301은 가장 가까운 지점에서 S2보다 약 10배 더 깊숙이 블랙홀의 중력장에 들어간다.

S301은 매우 희미한 주계열성으로, 근적외선 K밴드 등급은 약 19.3이다. 밝고 별이 빽빽하게 몰려 있는 은하 중심에서 이처럼 희미한 별의 움직임을 분리해 추적했다는 점도 이번 발견의 중요한 부분이다.

어떻게 발견하고 확인했나

연구진은 칠레에 있는 유럽남방천문대(ESO)의 초대형망원경 간섭계(VLTI)에 설치된 근적외선 간섭계 GRAVITY를 이용해 S301을 처음 포착했다. GRAVITY는 여러 망원경의 빛을 간섭시키는 방식으로, 은하 중심처럼 복잡한 영역에서도 별의 위치를 매우 정밀하게 측정할 수 있다.

연구진은 2023~2025년 GRAVITY 관측 자료에서 S301의 천구상 위치 변화를 추적해 예비 궤도를 계산했다. 이후 이 궤도를 과거로 거슬러 올라가 2021년과 2017년의 보관 관측 자료에서 별의 위치를 예측했고, 실제 자료에서 같은 천체를 다시 찾아냈다. 새로운 궤도로 과거 관측을 성공적으로 예측했다는 점은 S301이 단순한 희미한 점광원이 아니라 제안된 궤도를 따라 움직이는 별이라는 중요한 확인 자료가 됐다.

다만 아직 분광 관측으로 S301의 직접적인 시선속도, 즉 별이 관측자 쪽으로 다가오거나 멀어지는 속도를 얻지는 못했다. 현재 궤도 해석은 주로 정밀한 하늘 위치 측정에 기반한다. 앞으로 건설 중인 초대형망원경급 장비를 이용한 분광 관측이 이뤄지면 별의 3차원 궤도를 더 완전하게 복원할 수 있을 것으로 기대된다.

S301이 블랙홀의 스핀을 보여줄 수 있는 이유

아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 회전하는 블랙홀은 주변의 시공간을 함께 끌고 간다. 이를 렌즈-티링 효과, 또는 **프레임 드래깅(frame dragging·기준계 끌림)**이라고 한다. 블랙홀의 회전으로 시공간이 미세하게 비틀리면서, 가까이 지나가는 별의 궤도면과 궤도의 방향이 조금씩 회전하게 된다.

S301은 궁수자리 A*에 매우 가까이 접근하므로 이 효과가 궤도 변화에 남길 흔적을 측정할 가능성이 있다. 특히 별의 궤도면이 회전하는 ‘노달 세차’를 정밀하게 추적하면 블랙홀 스핀의 크기와 방향을 제한할 수 있다. 현재의 고정밀 근적외선 간섭 관측과 향후 분광 관측을 함께 활용하면 이 측정에 접근할 수 있다는 분석이다.

이는 S2 관측으로 확인된 질량 중심의 슈바르츠실트 세차를 넘어서는 시험이 될 수 있다. S2에서는 블랙홀의 질량이 만드는 일반상대론적 궤도 변화를 관측했지만, S301은 회전하는 블랙홀을 설명하는 커(Kerr) 시공간의 예측을 직접 겨냥할 수 있다.

2031년에 무엇을 알 수 있을까

S301의 다음 근접 통과는 2031년 전후로 예상된다. 이 시기에 천문학자들이 별의 위치와 스펙트럼을 집중적으로 관측하면, 근접 통과 전후에 나타나는 상대론적 궤도 변화를 가장 효과적으로 포착할 수 있다. 렌즈-티링 효과에 따른 노달 세차가 충분한 정밀도로 측정된다면 궁수자리 A*의 스핀을 직접 추정하는 길이 열릴 수 있다.

그러나 블랙홀의 **사중극자 모멘트(quadrupole moment)**를 측정하는 일은 훨씬 어렵다. 사중극자 모멘트는 블랙홀의 질량 분포와 회전이 중력장에 남기는 더 미세한 구조를 나타낸다. S301에서 예상되는 스핀-사중극자 효과는 렌즈-티링 효과의 약 **4%**에 불과한 것으로 추정되며, 이 궤도에서는 사실상 무시할 수 있는 수준으로 평가된다.

따라서 S301의 2031년 통과만으로 **무모 정리(no-hair theorem)**를 결정적으로 시험할 수 있다고 말하기에는 아직 근거가 부족하다. 무모 정리는 일반상대성이론의 커 블랙홀이 질량과 스핀이라는 두 물리량으로 사실상 완전히 규정되며, 사중극자 모멘트 역시 이 두 값으로 정해진다는 내용이다. 이를 검증하려면 그 작은 사중극자 성분을 독립적으로 측정해야 한다.

그 목표에는 S301보다 훨씬 더 가까이 접근하는 별, 서로 다른 궤도를 가진 여러 별의 동시 관측, 또는 별 궤도와는 다른 관측 방법이 필요할 가능성이 크다. 현재 S301이 제공하는 가장 현실적인 성과는 무모 정리의 최종 검증보다는, 먼저 우리 은하 중심 블랙홀의 회전 자체를 측정하고 강한 중력장에서 일반상대성이론을 시험하는 것이다.