궁수자리 A*

궁수자리 A*는 우리은하 중심에 자리한 초대질량 블랙홀로, 우리 태양을 포함한 은하 전체가 서서히 회전하는 중심축이다. 이 블랙홀은 태양 질량의 약 430만 배에 달하는 질량을 지니고 있지만, 그 모든 것이 수성 궤도보다 좁지 않은 영역 안에 눌려 담겨 있으며, 궁수자리 방향으로 약 2만 7천 광년 떨어진 곳에 위치한다.

그 이름("궁수자리 에이스타"로 읽는다)은 어떤 행성의 이름과도 다르다. 별표(asterisk)는 더 큰 궁수자리 A 복합체 안에 묻혀 있는 작고 밝은 전파원을 나타내기 위한 것이다. 2022년, 이 블랙홀은 직접 촬영된 두 번째 블랙홀이 되어 M87 은하의 거대 블랙홀과 어깨를 나란히 했다. 다만 이번에는 우리 자신의 우주적 뒷마당에 있는 블랙홀이라는 점이 달랐다.

장소가 아니라 경계

블랙홀에는 표면이 없다. 우리가 '크기'라고 부르는 것은 사건의 지평선, 즉 빛조차 빠져나올 수 없는 일방통행의 경계다. 태양 430만 개에 해당하는 질량의 경우, 이 지평선의 반지름은 약 1,270만km로, 태양 지름의 약 18배에 해당하며 수성 궤도 안에 여유 있게 들어갈 만큼 작다. 그 안에 있는 모든 것은 우리에게 영원히 감춰져 있다.

궁수자리 A*는 회전하는 블랙홀, 즉 커 블랙홀이다. 강착류와 X선 플레어에 대한 모형화 연구에 따르면 이 블랙홀은 상당히 빠르게 회전하고 있을 가능성이 있으며, 이론상 최댓값 1을 기준으로 추정치는 약 0.5에서 0.9 사이에 몰려 있다. 이는 이 블랙홀이 공간 자체의 짜임을 함께 끌고 돈다는 뜻이지만, 정확한 수치는 아직 불확실하다. 이 블랙홀에는 일반적인 의미의 '온도'는 없지만, 그 주위를 나선형으로 돌며 빨려 들어가는 얇은 플라스마는 약 100억 도까지 가열되어, 우리가 이 블랙홀을 조금이나마 볼 수 있게 해주는 빛을 내뿜는다.

행성 크기의 망원경이 필요했던 사진

2022년 5월 12일, 사건지평선망원경(Event Horizon Telescope) 공동연구팀은 궁수자리 A*의 첫 직접 영상을 공개했다. 초고온 가스로 이루어진 빛나는 주황색 고리가 어두운 중심 그림자를 둘러싸고 있는 모습이었다. 이 그림자는 하늘에서 겨우 51.8마이크로초각의 크기를 차지하는데, 연구팀은 이를 달 표면에서 도넛 하나를 찾아내는 일에 비유했다.

이렇게 작은 대상을 하나의 접시 안테나로 분해할 수는 없었다. 대신 칠레의 아타카마 사막에서부터 스페인, 하와이, 애리조나, 멕시코, 남극에 이르기까지 흩어져 있는 여덟 개의 전파 관측소를 연결해 지구 전체 크기의 가상 망원경을 만들었고, 2017년 4월 내내 이 모든 관측소가 은하 중심을 향했다. 궁수자리 A* 주위의 가스는 거의 광속에 가까운 속도로 움직이며 단 몇 분 만에 한 바퀴를 도는데, 그 때문에 자료가 수집되는 동안에도 그 모습이 계속 깜빡였다. 이것이 앞서 나온 M87 영상보다 분석에 5년이나 더 걸린 이유 중 하나였다.

블랙홀의 존재를 드러낸 별들

사진이 나오기 훨씬 전부터, 이 블랙홀은 중력을 통해 스스로의 존재를 드러내고 있었다. 수십 년에 걸쳐, 독일의 라인하르트 겐첼과 미국의 안드레아 게즈가 각각 이끄는 두 연구팀이 세계 최대급 망원경들을 이용해 은하 중심의 보이지 않는 한 점 주위를 빠르게 도는 개별 별들을 추적했다. S2로 등록된 별 하나는 16년이라는 촘촘한 주기로 궁수자리 A* 주위를 도는데, 2018년 5월에는 광속의 약 3퍼센트에 이르는 속도로 그로부터 약 180억km 이내까지 접근했다.

이 별빛은 블랙홀의 중력을 벗어나 올라오면서 더 붉은 파장 쪽으로 늘어났는데, 이는 아인슈타인의 일반상대성이론이 정확히 예측한 중력 적색편이 현상이었다. 수십 년에 걸친 이 별들의 궤도 관측은 블랙홀의 질량을 1퍼센트의 몇 분의 1 오차 이내로 확정지었고, 그 공로로 겐첼과 게즈는 로저 펜로즈와 함께 2020년 노벨 물리학상을 나누어 받았다.

놀라울 만큼 조용한 괴물

그 덩치에 비해 궁수자리 A*는 놀라울 정도로 차분하다. 별들을 갈기갈기 찢어놓거나 퀘이사급 복사를 뿜어내고 있지 않으며, 해마다 태양 질량의 약 10만분의 1 정도의 물질만을 삼킬 뿐이고, 그마저도 상당 부분은 떨어져 들어가기 전에 다시 밖으로 튕겨져 나간다. 멀리 있는 은하들 속에서 활발히 물질을 먹어치우는 블랙홀들과 비교하면, 우리 은하의 블랙홀은 사실상 휴면 상태나 다름없다.

그렇다고 완전히 조용하지는 않다. NASA의 찬드라나 뉴스타 같은 우주망원경들은 이 블랙홀이 X선으로 이따금 밝아지는 것을 정기적으로 포착하는데, 이러한 짧은 밝아짐은 안으로 떨어져 들어가는 가스 속 자기 활동에서 비롯된 것으로 여겨진다. 또한 오래된 빛의 메아리들에는 약 2백 년 전 궁수자리 A*가 지금보다 훨씬 더 활발했음을 암시하는 흔적도 남아 있다.

전파의 희미한 신호에서 은하의 닻으로

궁수자리 A*는 1974년 2월 13일과 15일, 브루스 볼릭과 로버트 브라운이 그린뱅크의 전파간섭계를 이용해 은하 중심에서 유난히 작고 밀집된 전파원을 검출하며 발견되었다. 브라운은 훗날 이 이름을 지었는데, 여기점 원자를 나타내는 표기법에 빗대어 이 전파원이 '들떠 있다(exciting)'는 뜻으로 별표를 덧붙였고, 그 이름이 그대로 굳어졌다.

이 희미한 전파원 지점은 오늘날 우리은하의 중력적 닻으로 이해되고 있다. 우리 태양을 포함해 수천억 개에 이르는 별들이 이 중심을 축으로 공전하며, 한 바퀴를 도는 데 약 2억 3천만 년이 걸린다.

눈으로 볼 수 없는 이유

행성이나 혜성과 달리, 궁수자리 A*는 육안으로 발견하는 것이 불가능하다. 이 블랙홀은 가시광선을 거의 완전히 차단하는 두꺼운 성간 먼지구름 뒤에 가려져 있으며, 그 때문에 처음 전파로 발견되었고 오늘날에도 가시광선이 아니라 전파, 적외선, X선으로 연구되고 있다. 우리가 할 수 있는 일은 북반구의 여름철 하늘 낮은 곳에 뜨는 궁수자리 방향을 바라보는 것뿐이다. 그곳에 밀집한 우리은하의 가장 짙은 별구름들이, 바로 그 한가운데에 태양 질량의 4백만 배에 달하는 그림자를 감추고 있으며, 그 모습을 사진으로 담기 위해서는 행성 크기의 망원경이 필요했다는 사실을 떠올리면서 말이다.