4만 광년 떨어진 우리은하 내 구상성단(NGC 1851)에서 지금까지 알려진 가장 무거운 중성자별보다 무겁고 가장 가벼운 블랙홀보다는 가벼운 수수께끼 같은 천체가 발견됐다.

19일 영국 맨체스터대와 독일 막스 플랑크 전파천문학 연구소 등 국제 연구팀은 과학 저널 사이언스(Science)에서 남아프리카 전파천문대 '미어캣'(MeerKAT) 망원경으로 NGC 1851에서 빠르게 회전하는 밀리초 펄서(pulsar)와 서로 공전하는 태양 질량 2.09~2.71배 크기 미지의 천체를 발견했다고 밝혔다.

연구팀은 이 천체는 이론적으로 가장 큰 중성자별보다 크고 가장 작은 블랙홀보다 작다며 아인슈타인의 일반상대성 이론을 새롭게 시험하고 블랙홀 연구의 문을 열 수 있는 '전파 펄서-블랙홀' 쌍성계를 처음 발견한 것일 수 있다고 설명했다.

▲ 전파 펄서와 동반자 천체 블랙홀 상상도. 중앙 위쪽의 가장 밝은 별이 전파 펄서(PSR J0514-4002E)이고 아래쪽 주황색 천체가 전파 펄서에서 800만㎞ 떨어져서 7일마다 서로 한 바퀴씩 공전하고 있는 동반자 천체인 블랙홀이다.

벤 스태퍼스 맨체스터대 교수는 "전파 펄서와 쌍을 이룬 것이 블랙홀이라면 중력 이론을 테스트하는 중요한 대상이 될 수 있고, 중성자별이라면 초고밀도 핵물리학에 새로운 통찰력을 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구팀은 미어캣 망원경으로 4만 광년 떨어져 있는 남반구 비둘기자리의 구상성단 NGC 1851을 관측하던 중 이 쌍성계를 발견했다.

구상성단은 은하 내 다른 영역보다 별들이 구(球) 형태로 빽빽하게 모여있는 집합체로 밀집된 별들이 상호작용해 궤도를 서로 방해하고 충돌하기도 한다.

연구팀은 쌍성 중 하나에서 희미한 펄스를 감지하고, 이 천체가 초당 170회 이상 회전하며 전파를 방출하는 중성자별의 하나인 전파 펄서(PSR J0514-4002E)라는 사실을 확인했다.

또 이 전자 펄서와 800만㎞ 떨어진 곳에서 7일에 한 바퀴씩 서로 공전하는 천체 역시 중성자별 2개가 충돌해 하나의 큰 천체를 형성해가고 있는 것으로 추정했다.

별이 죽은 뒤 남는 초고밀도 잔해인 중성자별은 보통 다른 별을 흡수하거나 다른 별과 충돌해 질량이 너무 커지면 붕괴한다. 중성자별이 붕괴 후 어떻게 되는지에 대해서는 여러 추측이 있지만 중력이 강하면 블랙홀이 될 수도 있다.

천문학자들은 중성자별이 붕괴하려면 질량이 최소 태양의 2.2배는 돼야 하는 것으로 보고 있다. 그런데 관측으로 확인되는 블랙홀은 가장 작은 것도 이보다 훨씬 커서 태양 질량의 5배보다 작은 블랙홀은 거의 발견되지 않는다.

이번에 발견된 전파 펄서의 동반자 천체는 질량이 태양의 2.09~2.71배로 분석됐다. 이는 가장 큰 중성자별보다 크고 가장 작은 블랙홀보다 작아 무엇으로도 분류할 수 없는 상태다.

연구팀은 태양 질량의 2.2배 이상에서 5배 이하에 해당하는 천체의 특성은 알려지지 않았고 지금까지 상세한 연구도 어려웠다며 발견된 천체가 이에 대한 연구에 큰 도움이 될 수 있을 것이라고 말했다.

이어 "이 천체가 가장 큰 중성자별인지, 가장 작은 블랙홀인지, 아니면 새로운 이상한 변종 별인지 알 수 없다"며 "그 정체를 밝혀내면 중성자별과 블랙홀, 그 사이 질량의 천체에 대한 이해를 높일 전환점이 될 것"이라고 덧붙였다.

◆ 출처 : Science, , 'A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes', https://doi.org/10.1126/science.adg3005

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