우리 은하 중심 블랙홀 주변의 S2 별, 동반성을 가질 수 있을까?

초록

우리 은하 중심 초대질량 블랙홀을 공전하는 S2 별은 일반적으로 쌍성계를 이루는 B형 별이지만, 관측상 동반성이 발견되지 않고 있다. 연구팀은 N-체 시뮬레이션을 통해 극도로 강한 중력 환경에서도 S2가 동반성을 보유할 수 있는 궤도 조건을 규명했다. 그 결과, 공전 주기가 100일 미만이고 이심률이 0.8 이하이며 궤도면이 거의 일치할 때 생존 가능성이 높아진다는 것을 발견했다. 현재 관측 기술의 한계를 감안하면, 탐지되지 않을 수 있는 쌍성 구성 비율은 약 3.0%에 불과하다.

상세 분석

본 연구는 우리 은하 중심이라는 극한의 중력장 환경에서 항성 쌍성계의 운명을 정량적으로 규명한 중요한 동역학적 연구다. 핵심은 1차 후-뉴턴 보정을 포함한 N-체 코드(TIDYMESS)를 사용해 10^5회의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행했다는 점이다. 시뮬레이션 초기 조건으로 동반성의 궤도 요소(공전주기, 이심률, 상호 경사각 등)를 균일 분포로 샘플링했으며, 로슈 한계보다 가까운 궤도는 제외했다.

가장 주목할 만한 결과는 생존 가능한 동반성의 궤도가 매우 제한적이라는 것이다. 공전 주기(P)가 100일을 초과하는 경우 생존 사례가 전무하며, 생존율은 P가 짧을수록 급격히 증가한다. 이는 블랙홀의 조석력에 의한 붕괴(힐 메커니즘)가 광역 궤도에서 더 쉽게 발생하기 때문이다. 이심률(e)은 0.8 이상인 경우 생존이 불가능했는데, 고이심률 궤도는 근점에서 로슈 한계 내로 진입해 합병되거나(Lidov-Kozai 주기 유발), 원점에서 결합 에너지가 약해져 파괴되기 쉽다.

상호 경사각 분포에서 60° < i < 120° 구간(즉, cos i ~ 0 주변)에서 생존율이 현저히 낮은 것은 Lidov-Kozai 효과의 전형적인 특징이다. 이 효과로 인해 경사각과 이심률이 주기적으로 교환되며 궤도가 불안정해진다. 흥미롭게도 매우 짧은 주기(P < 2.5일) 영역에서는 이 임계 경사각 구간에서도 생존 사례가 관측됐다. 이는 일반 상대성론에 의한 근일점 세차 운동이 Lidov-Kozai 주기를 ‘깨뜨려’ 진동 진폭을 억제하기 때문으로 해석된다.

현재 관측 한계(반경속도 반진폭 K < 25 km/s, 동반성 질량 ≲ 2 M⊙)와 결합하면, 역동적으로 안정적이면서도 관측적으로 탐지되지 않을 수 있는 쌍성 구성의 비율은 시뮬레이션 샘플의 3.0%로 좁혀진다. 이는 S2가 동반성을 가질 개연성이 매우 낮지만, 물리적으로 불가능하지는 않음을 시사한다. 또한 동반성이 존재하더라도 S2의 측량 신호를 최대 5 마이크로각초만큼만 변경시킬 것이라 추정되어, GRAVITY+ 같은 차세대 고정밀 측량 관측에도 큰 방해가 되지 않을 것으로 전망된다.