[과학을 읽다]"별, 너의 질량을 알려주마!"

국제연구팀, 중력렌즈 통해 항성 질량 측정

▲국제 연구팀이 중력렌즈를 통해 항성의 질량을 측정했다.[사진제공=사이언스]

[아시아경제 정종오 기자] 항성과 행성의 질량을 아는 것은 우주과학의 시작입니다. 인간도 자신의 몸무게가 정확히 얼마인지 아는 게 중요합니다. 몸무게의 변화에 따라 건강상태 등 여러 가지 정보를 알 수 있기 때문입니다. 항성과 행성도 그 질량에 따라 다양한 역사와 정보를 담고 있습니다.

항성과 행성의 질량을 측정하는 게 쉽지만은 않습니다. 최근 미국, 영국, 캐나다 국제 연구팀이 이른바 '중력렌즈'를 이용해 우리 은하 중심부가 아닌 주변부에서 항성의 중력을 측정하는데 성공했습니다. 중력렌즈 효과는 1936년 아인슈타인이 논문을 통해 발표했습니다.

사이언스지는 7일(현지 시각) 이 같은 내용을 비중있게 보도했습니다. 지구에서 봤을 때 앞에 있는 A라는 별과 뒤 쪽에 있는 B라는 별은 상황에 따라 그 빛이 달라 보입니다. A와 B의 별이 나란하지 않을 때는 뒤쪽에 있는 B는 어두워 보입니다.

반면 A와 B가 나란히 일직선을 이루면 뒤쪽에 있는 B가 더 밝아 보입니다. 이는 B의 빛이 A를 지나면서 중력에 의해 휘어지기 때문입니다. 렌즈 현상이 일어납니다. 퍼져나가던 빛이 한곳으로 모이면서 더 밝아 보입니다. 중력렌즈 효과라고 부릅니다. 빛이 렌즈를 통과할 때 한 곳으로 모이는 것과 같은 이치입니다.

이런 현상을 통해 먼 은하의 모양과 밝기가 어떻게 변하는지, 지구에서 거리는 어느 정도인지, 질량은 얼마인지 계산할 수 있습니다.

별의 질량을 가늠하는 것은 힘듭니다. 유일하게 별의 질량을 측정할 수 있는 것은 쌍성계입니다. 쌍성계는 서로 공전합니다. 서로 빛을 가리는 식 현상이 일어납니다. 이를 통해 그들의 질량을 파악할 수 있습니다. 식 현상은 외계행성을 찾는 한 방법론이기도 합니다.

천문학자들은 그동안 중력으로 빛이 휘는 여러 가지 현상을 은하 중심부에서 관측해 왔습니다. 아주 먼 은하에서 뒤틀리는 은하까지 관찰했습니다. 때때로 이 같은 현상은 원으로 휘어지는 현상으로 보이기도 합니다. 이를 '아인슈타인 고리'라고 부릅니다.

중력렌즈를 이용해 별의 질량을 측정하는 것은 복잡합니다. 뒤쪽별과 앞쪽 별(렌즈)의 밝기 총합을 우선 계산합니다. 이어 두 별이 일직선상에 있었을 때(뒤쪽별이 가장 밝을 때)와 이를 벗어났을 때 등의 광도변화를 측정합니다. 여기에 관측자와 앞에 있는 별과의 거리를 계산합니다.

이 같은 기본 데이터가 확정되면 일정 공식에 따라 항성의 질량을 알 수 있습니다. 중력렌즈를 이용하면 외계행성을 찾아낼 수 있고 암흑물질, 블랙홀, 갈색 왜성 등도 탐험할 수 있다.

국제 연구팀은 허블우주망원경으로 'Stein 2051 B'를 찾아냈습니다. 지구로부터 18 광년 떨어져 있는 백색왜성입니다. 2014년 3월 'Stein 2051 B'는 다른 별 앞을 지나갔습니다. 이때 천문학자들은 뒤에 있는 항성의 위치 변화에 주목했습니다. 연구팀은 당시 발생한 중력렌즈를 통해 'Stein 2051 B'의 질량이 태양의 3분의2에 이른다는 계산에 이르렀습니다.

마틴 바스타우(Martin Barstow) 영국 레스터대학 천문학자는 "이번 연구 결과는 일반 상대성이론을 증명한 것"이라며 "지금까지 연구한 것 중에 정말 멋진 결과"라고 말했습니다.

이충욱 한국천문연구원 박사는 "은하 중심부가 아닌 주변부에서 이 같은 현상이 파악됐다는 측면에서 아주 의미 있는 결과"라며 "중력렌즈를 통해 항성의 질량, 행성의 진화 등 우주과학의 새로운 데이터가 쌓이게 될 것"이라고 평가했습니다.

국제 연구팀은 내년을 기대하고 있습니다. 유럽우주기구(ESA)의 가이아 탐사선이 우리 은하의 별에 대한 지도를 그리고 있습니다. 내년에 별의 위치와 움직임을 담은 별 지도에 대한 2차 카탈로그가 나옵니다. 이를 통해 우리 은하 주변에 대한 중력렌즈 현상이 더 많이 관측될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.