우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀 근접 궤도 별 상대론적 적색편이(Relativistic redshift)가 확인됐다. 1919년 엘버트 아인슈타인(Albert Einstein) 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 결과다.

미국 로스앤젤레스의 캘리포니아대(University of California) UCLA 물리천문학 교수 안드레아 게츠(Andrea Ghez)와 그의 동료들은 우리 은하 중심 초대질량(supermassive) 블랙홀 궁수자리 A*(Sagittarius A *)에 비교적 가까운 궤도를 도는 ‘S0-2’ 별을 24년 동안 관측했다. 측정 데이터는 별 색상과 위치를 포함했다.

연구팀은 7월 25일 사이언스지에 발표한 논문에서 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 성립을 보고했다.

일반 상대성 이론은 블랙홀의 강력한 중력장을 통해 이동하면서 별빛이 약간의 에너지를 잃어야한다고 예측한다. 에너지 손실은 거대한 블랙홀 근처 별빛의 파장을 늘려 더 붉게 보일 것으로 예측한다. 고전 뉴턴 중력 이론은 이를 예측하지 못한다. 아직 검증 중인 일반상대성 이론 예측 또한 조금이라도 어긋나면, 새로운 물리 해석이 필요하다.

연구의 공동저자 게츠는 “적어도 현재 아인슈타인은 옳다. 우리는 뉴턴의 중력 법칙을 절대적으로 배제할 수 있다. 우리의 관찰은 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 일치하지만, 그의 이론은 분명히 취약성을 보여주고 있다. 블랙홀 내부의 중력을 완전히 설명 할 수는 없으며 어느 시점에서 아인슈타인의 이론을 넘어서 블랙홀이 무엇인지를 설명하는 중력 이론에 대한 포괄적인 이론에 필요할 것”이라고 설명한다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론은 우리가 중력의 힘으로 인지하는 것은 공간과 시간의 곡률로부터 발생한다고 주장한다.

우리 은하의 중심 초대질량 블랙홀 주위의 별 궤도의 이미지. 초 광대역 블랙홀 주변의 일반적인 상대성 이론을 테스트하기에 충분한 측정치를 가진 첫 번째 별인 S0-2의 궤도가 강조됐다. credit: Keck / UCLA Galactic Center Group.

아인슈타인의 이론은 중력이 작용하는 방식에 대한 가장 좋은 설명이라는 게츠는 중력을 포함한 물리학의 법칙은 우주의 모든 곳에서 유효 할 것이라고 말했다. 연구팀은 독일 막스플랑크연구소와 함께 S0-2를 관측하는 세계 두 연구그룹 중 하나다. S0-2는 3차원에서 완전한 궤도를 만든다. 은하수 중심에 있는 초대질량 블랙홀 주변을 전체 궤도는 16년이 걸리고 블랙홀의 질량은 태양의 약 4 백만 배에 달한다.

연구진은 그들의 작업이 초대 질량 블랙홀과 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 가장 상세한 연구라고 말한다. 이 연구의 주요 데이터는 게츠 팀이 4 월, 5 월 및 9 월에 분석 한 스펙트럼이었다.

연구팀은 시간에 따른 위치의 측정으로부터 속도를 계산했다. 논문 주 저자 튜안 도(Tuan Do) 박사는 “별이 더 빨갛게 될 때, 그것은 중력에 의한 적색 변이가 없을 때 보다 더 빠르게 우리에게서 멀어지고 있는 것처럼 보인다”고 말했다.

연구진은 별의 궤도가 색 측정을 오염시키지 않았는지 확인하기에 충분한 데이터가 필요했다. 과거에도 비슷한 연구가 있었지만 이번 연구는 2018년 블랙홀에 가장 근접한 별에 대한 새로운 측정을 포함해 궤도에 대한 자신감을 높였다. 연구팀은 ‘S0-2’가 상대론적 효과에 의해 그 빛이 늘어나지 않는다고 예상했던 것 보다 현저히 빨갛게 보인다는 것을 발견했다.

연구팀은 초대형 블랙홀 근처에서 공간과 시간의 혼합을 볼 수 있었다. 게츠는 “뉴턴의 중력 버전에서, 공간과 시간은 분리되어 있고, 서로 어울리지 않았다. 아인슈타인 이론에서 그 둘은 블랙홀 근처에서 완전히 섞여있다”고 말했다.

연구진은 S0-2에서 지구로 이동하면서 빛의 입자 인 광자를 연구했다. S0-2는 블랙홀에 가장 가까운 궤도에서 시간당 1,600만 마일 이상의 속도로 주변을 움직인다. 광자의 파장은 별의 속도뿐만 아니라 광자가 얼마나 많은 에너지로 탈출하는지에 달려있다. S0-2에서 온 광자가 지구에 도달하는 데는 2만 6000 년이 걸린다.

게츠 팀은 하와이의 휴화산인 마우나 키아(Mauna Kea)에 자리했다. 세계에서 가장 큰 광학 및 적외선 망원경 중 하나 켁 관측소(Keck Observatory)를 사용해 2018년 4일 주기 측정을 실시했다. 연구팀은 이 망원경을 하와이 현장과 UCLA의 물리학과 천문학부 관측실에서 원격으로 사용했다.

블랙홀은 고밀도이기 때문에 빛도 중력 작용에 빠져나오지 못한다. 직접 볼 수는 없지만 가까운 별에 미치는 영향을 볼 수 있고 흔적을 나타낸다. 블랙 홀 이벤트 지평선(event horizon)을 가로 지르면 탈출 할 수 없지만 별 S0-2는 가장 근접한 궤도에서도 이벤트 호라이즌과는 거리가 멀기 때문에 광자가 빠져들지 않는다.

S0-2는 궁수자리 A *에 가장 근접한 별이 아니지만 1995년 관측이 시작되었을 때 사용할 수있는 장비로 관찰 할 수 있을 정도로 밝았다. 연구팀은 다른 연구 그룹과 함께 블랙홀에 더 가까운 더 어두운 별들을 관측하고 있다.

미국 국립 과학재단(National Science Foundation)은 20 년이 넘는 기간 동안 연구팀을 지원했다.