How did scientists find a star this close to the galactic centre?

The ESO's GRAVITY+ interferometer combines light from four 8-metre telescopes at Paranal, giving enough resolution to distinguish individual stars near Sagittarius A*. Tracking S301's position over multiple years allowed the team to reconstruct its full orbit.

What is frame-dragging and why does it matter for S301?

A rotating mass drags spacetime around itself — the stronger the spin, the more pronounced the effect. S301 orbits close enough that this drag should visibly alter its orbital precession over years, giving a direct measurement of Sagittarius A*'s angular momentum.

How does S301 compare to other S stars near Sgr A*?

The best-studied S star, S2, reaches a closest approach of about 100 astronomical units every 16 years at around 7,650 km/s. S301 passes eight times closer, completes an orbit in 8.7 years, and moves at 25,000 km/s — three times faster at pericenter.

When will scientists actually measure the spin of Sagittarius A*?

The lead author estimates a 10-year window. The frame-dragging precession of S301's orbital plane needs to accumulate across several orbital periods before it becomes detectable with GRAVITY+. The measurement is a future result, not yet achieved.

S301, 궁수자리 A* 주변을 빛의 8% 속도로 공전하며 블랙홀 회전 측정의 가능성을 열다

은하 중심의 블랙홀 주변을 매우 빠르고 가깝게 공전하는 무언가가 있어, 회전하는 물체의 물리학(단지 질량이 큰 물체만이 아닌)이 마침내 시험 가능해졌다. 막스 플랑크 외계물리학연구소(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) 연구팀이 유럽남방천문대(ESO)의 VLTI를 이용해 확인한 S301은 궁수자리 A*로부터 17억 8천만 km 이내를 통과한다. 이는 태양과 토성 간 거리에 맞먹는 거리다. 약 초속 25,000km, 즉 빛의 속도의 8% 속도로 움직인다. 은하 이 지역에서 추적된 별 중 이처럼 빠르거나 가깝게 접근한 별은 지금까지 없었다.

S301을 은하 중심 근처에서 빠르게 움직이는 다른 별들과 구별 짓는 것은 속도만이 아니다. 그 결과가 중요하다. 그 근접성에서 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 회전하는 블랙홀이 주변 시공간을 끌어당길 것이라고 예측한다. 이를 틀끌림(frame-dragging) 또는 렌스-티링 효과(Lense-Thirring effect)라고 한다. S301이 이 영역 깊숙이 통과하기 때문에, 그 궤도에는 궁수자리 A*가 얼마나 빠르게 회전하는지에 대한 측정 가능한 흔적이 담겨 있어야 한다. 이는 지금까지 알려진 어떤 별로도 달성된 적이 없다.

“이 별을 통해 우리는 앞으로 10년 이내에 블랙홀의 회전을 측정할 수 있기를 바랍니다,”라고 연구의 주저자이자 막스 플랑크 외계물리학연구소 연구원인 펠릭스 망(Felix Mang)이 말했다. 현재 궁수자리 A*의 회전에 대한 직접적인 측정은 존재하지 않는다. S301이 그것을 만들어낼 수 있다.

다른 종류의 S별

궁수자리 A* 주위에는 S별이라 불리는 빠르게 움직이는 별들의 무리가 있으며, 30년에 걸쳐 목록화되어 블랙홀의 중력 영향력을 매핑하는 데 사용되어 왔다. 가장 잘 알려진 S2는 궁수자리 A*의 질량이 400만 태양질량이라는 최초의 직접적인 증거를 제공했으며, 이 연구로 라인하르트 겐첼(Reinhard Genzel)과 안드레아 게즈(Andrea Ghez)는 2020년 노벨 물리학상을 수상했다. S2는 최근접점에서 약 초속 7,650km, 즉 빛의 속도의 약 2.5%에 도달하며, 16년 주기로 공전한다.

S301은 8.7년 만에 완전한 궤도를 한 바퀴 돈다. 이는 절반도 안 되는 시간이며, 최근접점에서 S2의 근점 속도보다 3배 더 빠르게 움직인다. 더 중요한 점은, 궁수자리 A*로부터 약 12천문단위(AU) 거리를 통과한다는 것으로, 이는 이전에 알려진 어떤 S별보다 약 8배 더 가까운 거리다. 그 거리에서는 일반 상대론적 효과가 단순히 존재하는 것에 그치지 않고, 파라날 천문대의 장비로 해마다 추적할 수 있는 속도로 궤도에 축적된다.

이 발견은 칠레 ESO 파라날 천문대의 원래 GRAVITY 간섭계의 차세대 업그레이드인 GRAVITY+를 사용하여 이루어졌다. GRAVITY+는 4기의 8.2미터 망원경의 빛을 결합하여, 은하 중심 주변의 밀집되고 먼지에 가려진 별무리 안에서 개별 별들을 분해하는 데 필요한 각분해능을 달성한다. 여러 관측 에포크에 걸쳐 S301의 위치를 추적함으로써 연구팀은 근점 거리와 최고 속도를 확립할 수 있을 정도로 정밀하게 전체 궤도를 재구성했다.

회전이 중요한 이유

궁수자리 A*의 질량은 수년간 알려져 왔다. 그러나 질량은 블랙홀이 가질 수 있는 두 가지 기본 특성 중 하나일 뿐이며, 전하는 다른 하나이다. 하지만 천체물리학적 블랙홀은 실제 환경에서 전하를 빠르게 잃을 것으로 예상된다. 남은 특성은 회전이다. 아인슈타인 장 방정식의 커 해(Kerr solution)에 따르면, 회전하는 블랙홀은 각운동량을 가지며, 그 회전은 주변의 시공간 기하학을 질량만으로는 생성할 수 없는 방식으로 형성한다.

궁수자리 A*가 얼마나 빠르게, 그리고 어떤 방향으로 회전하는지는 그 사건의 지평선 구조와 근처 모든 것의 궤도를 결정한다. 2022년 사건지평선 망원경(EHT) 이미지에서 관측된 강착 원반 방출을 모델링하는 간접적인 방법을 통한 현재 추정치는 아마도 중간 정도의 속도로 회전할 것이라고 시사하지만, 불확실성은 허용 범위의 대부분을 포함할 만큼 여전히 크다. S301의 궤도 세차 운동으로부터의 측정은 최초의 직접적인 결정이 될 것이다.

렌스-티링 효과는 회전하는 물체 주위의 별 궤도 평면이 블랙홀의 회전 매개변수에 비례하는 속도로 세차 운동(천천히 회전)하도록 만든다. S301의 경우, 연구팀은 이 세차 운동이 앞으로 GRAVITY+를 이용한 수년간의 관측을 통해 감지 가능한 수준으로 축적될 것이라고 계산한다.

데이터가 아직 확정하지 못한 것

몇 가지 중요한 한계가 적용된다. S301의 궤도(속도, 주기, 근점 거리)는 이제 잘 확립되었다. 틀끌림 세차 운동은 아직 감지되지 않았다. 이는 별이 궁수자리 A* 주위를 몇 번 더 통과하는 것을 지켜봐야 하는 미래의 측정이다.

은하 중심은 또한 천체물리학적 기준으로 환경적으로 시끄럽다. 이 지역의 별, 가스, 암흑 물질의 분포는 상대론적 세차 운동을 모방하는 방식으로 궤도를 이동시킬 수 있는 뉴턴 중력 섭동을 생성한다. 렌스-티링 신호를 추출하려면 이러한 기여를 모델링하고 빼내야 하며, 이는 최종 측정에 복잡성과 불확실성을 더한다.

마지막으로, S301의 발견 자체가 더 신중한 탐색을 촉구한다. 궁수자리 A* 주변의 내부 별무리는 먼지에 심하게 가려져 있으며, GRAVITY+는 그렇게 멀리까지밖에 들여다볼 수 없다. 더 가까이 공전하며 더 강하거나 다른 상대론적 흔적을 포함하는 궤도 신호를 가진 추가 별들이 존재할 가능성이 남아 있다.

S301과 궁수자리 A*에 관한 일반적인 질문

과학자들은 어떻게 은하 중심에 이렇게 가까운 별을 찾았나요? VLT 간섭계의 GRAVITY+ 장비는 4기의 8미터 망원경의 빛을 결합하여 궁수자리 A* 주변의 밀집된 성단에서 개별 별들을 분해하는 데 필요한 분해능을 달성합니다. 수년에 걸쳐 미세한 위치 변화를 추적함으로써 연구팀은 S301의 전체 궤도를 재구성했습니다.

틀끌림이란 무엇이며, 왜 중요한가요? 회전하는 질량은 주변의 시공간을 끌어당깁니다. 회전이 빠를수록 끌림이 강해집니다. 회전하는 블랙홀 가까이에서는 이 효과가 근처 물체의 궤도 경로를 회전의 크기와 방향 모두에 의존하는 방식으로 변경합니다. 별의 궤도에서 이를 측정하면 블랙홀의 각운동량을 직접 읽어낼 수 있습니다. 이는 현재 궁수자리 A*에 대해 다른 어떤 방법도 달성하지 못한 것입니다.

S301은 Sgr A* 근처의 다른 S별과 어떻게 비교되나요? 가장 많이 연구된 S별인 S2는 약 100천문단위의 최근접점에 16년 주기로 도달합니다. S301은 8.7년 만에 8배 더 가까이 접근하며, 근점 속도는 3배입니다. 이러한 근접성과 짧은 주기의 조합은 틀끌림에 대해 독특하게 민감하게 만듭니다.

이것이 우리 은하의 블랙홀에 대한 지식을 바꿀까요? 궁수자리 A*의 회전은 현재 직접 측정으로 제약되지 않습니다. 이를 결정하면 우리 은하의 중심 블랙홀에 대한 기본적인 물리적 설명이 완성되고, 별들의 궤도가 이전에 도달하지 못했던 강한 장의 회전 환경에서 일반 상대성 이론을 시험할 수 있는 길이 열립니다.

GRAVITY+를 이용한 관측은 여러 S301 궤도 주기에 걸쳐 계속될 것입니다. 연구팀은 틀끌림 세차 운동이 약 10년 이내에 감지 가능한 수준에 도달할 것으로 예상합니다. 이는 충분히 짧은 시간이어서 S301을 발견한 동일한 장비와 팀이 스스로 회전 측정을 수행할 가능성이 높습니다.

참고문헌: Mang et al., “S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A*,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10894-w

태그: black holes, Sagittarius A*, ESO, frame-dragging, GRAVITY+, S301