드디어 찾았다…오메가 센타우리, 항성질량 블랙홀 첫 확인

질량이 잘 결정된 이유는 쌍성계가 궤도 중 가장 가까운 지점인 근성점(periastron) 근처에서 관측되었기 때문이다. 아직 전체 궤도 중 일부만 관측되었음에도 불구하고 질량이 잘 추정될 수 있었다 .

발견 과정: 23년간의 고통스러운 위치측정(astrometry)

오메가 센타우리에서 블랙홀을 찾으려는 이전 시도들은 시선속도(radial velocity) 측정이나 X선·전파 방출 관측에 의존했지만, 모두 성공하지 못했다. 결정적인 돌파구는 **위치측정(astrometry)**이라는 전혀 다른 기술에서 나왔다. 이는 시간이 지남에 따라 별의 위치와 미세한 움직임을 하늘에서 정밀하게 측정하는 방법이다 .

연구팀은 oMEGACat 프로젝트의 허블 아카이브 데이터(20년 이상)를 사용하고, 여기에 제임스 웹 망원경의 새로운 관측을 추가해 측정 정밀도를 높였다. 총 23년의 데이터가 중요한 이유는 블랙홀의 공전 주기가 약 100년 수준이기 때문이다. 이 긴 시간 덕분에 연구팀은 궤도 신호가 가장 강한 근성점 부근에서 시스템을 포착할 수 있었다 .

보이는 별의 공전 흔들림을 추적함으로써, 보이지 않는 거대한 동반체—바로 블랙홀—의 존재를 밝혀냈다. 이로써 oMEGACat BH-2는 구상성단에서 위치측정법으로 발견된 최초의 블랙홀이라는 기록을 세웠다 .

이 발견이 중요한 이유

오메가 센타우리에는 약 1천만 개의 별이 들어 있다. 역학 모델에 따르면 이 성단에는 약 1만 개의 항성질량 블랙홀—즉, 가장 무거운 별들이 초신성 폭발 후 남긴 잔해—이 존재할 것으로 예측된다. 하지만 수십 년간 시선속도, 전파, X선 관측으로 아무것도 찾지 못하면서 이론과 관측 사이에 수수께끼 같은 괴리가 생겼다 .

oMEGACat BH-2는 마침내 이 공백을 깼다. 오메가 센타우리에서 처음으로 확인된 항성질량 블랙홀이며, 이 블랙홀 개체군이 실제로 존재한다는 첫 번째 직접 증거를 제공한다 .

하지만 그 질량이 태양의 약 4.5배에 불과하다는 점은 뜻밖이었다. 오메가 센타우리처럼 금속 함량이 낮은 성단의 항성 진화 모델은 일반적으로 20~40 태양질량의 블랙홀을 예측한다. 이 큰 질량 차이는 밀집 성단에서 블랙홀이 형성되고 유지되는 방식에 대한 새로운 의문을 제기한다 .

중간질량 블랙홀 논쟁에 주는 의미

수년 동안 천문학자들은 오메가 센타우리의 중심에 무엇이 숨어 있는지 논쟁해왔다. 하나의 **중간질량 블랙홀(IMBH)**일까, 아니면 많은 항성질량 블랙홀들이 모여 있는 것일까?

• 2024년, 허블 데이터를 통해 오메가 센타우리 중심에서 빠르게 움직이는 일곱 개 별의 움직임을 분석한 결과, 최소 8,200 태양질량의 중간질량 블랙홀(최대 약 40,000 태양질량)에 대한 강력한 증거가 제시됐다 .
• oMEGACat BH-2 같은 항성질량 블랙홀의 발견은 이 중간질량 블랙홀 해석과 모순되지 않는다. 모델은 두 가지가 모두 존재할 수 있다고 예측한다. 즉, 중심에는 하나의 중간질량 블랙홀이 있고, 성단 전체에는 수천 개의 항성질량 블랙홀이 분포해 있다는 것이다.
• 실제로 이 발견은 긴장 관계를 해소하는 데 도움이 된다. 항성질량 블랙홀 개체군이 실제로 존재한다는 것을 보여주지만, 중심부의 빠른 별들은 여전히 가벼운 블랙홀 무리만으로는 설명할 수 없는 하나의 거대한 물체(중간질량 블랙홀)가 필요함을 시사한다 .

요약하면, oMEGACat BH-2는 오메가 센타우리에서 오랫동안 예측됐던 '사라진' 항성질량 블랙홀 개체군에 대한 첫 번째 직접 증거이며, 중심에서 독립적으로 발견된 중간질량 블랙홀과 공존하는 것으로 보인다.