광자 고리의 하부 구조에서, 우주의 과거 시간에서 온 빛과 정보가 보존된다.
현재의 망원경 해상도로 판독 불가능, 일부만 촬영.
천체물리학자, "지구궤도에 두 대의 전파망원경으로 문제 해결가능하다."

블랙홀 : 타임 캡슐로서 광자 고리
사건 지평에서 아인슈타인에 의해 가정된 구조는 우주의 "오래된" 빛을 보존한다

숨겨진 정보 :
블랙홀의 첫 번째 사진에 아인슈타인이 예측한 것처럼 광자 고리 구조가 숨겨졌다.
그의 이론과 일치한 현상이다. 광자 고리의 하부 구조에서, 우주의 과거 시간에서 온 빛과 정보가 보존된다. 지금까지 망원경의 해상도로는 광자 고리를 볼 수 없었다.
이제 지구 궤도에 있는 전파 망원경이 문제를 해결할 수 있을 것이라고 천문학자들이 보고했다.

▲ 블랙홀 주위의 빛에는 포톤(광자) 고리가 포함되어 있다. © George Wong (UIUC) 및 Michael Johnson (CfA)

블랙홀은 빛조차도 빠져나올 수 없는 강한 중력을 발휘한다.
사건 지평 바로 바깥에서는 빛이 굴절돼 일부 광자들이 원형 궤도로 끌려간다.
동시에, 블랙홀에 의해 끌어 당겨진 물질은 방사선을 방출하며 블랙홀의 어두운 그림자 주위에 빛의 고리를 만든다.

천문학자들은 2019년 전 세계에 분포하는 EHT(Event Horizon Telescope) 전파 망원경을 사용해 그림자와 조명 고리가 있는 블랙홀의 첫 번째 사진을 찍는 데 성공했다.
이것은 M87 은하의 중심에 있는 초대형 블랙홀을 보여준다.

▲ 이것은 블랙홀의 첫 번째 사진이다. 사건 지평선의 밝은 빛 고리로 둘러싸인 거대 중력의 어두운 그림자를 볼 수 있다. © Event Horizon Telescope Collaboration

광자 고리에 잡히다.

이 사진에는 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 그의 일반상대성 이론에서 이미 예측한 것, 즉 광자 고리가 약간 뒤틀려 있다. 이것은 다양한 연령대의 빛으로 구성된 무한한 얇은 빛 고리로 이루어졌는데, 광자가 구멍 주위를 더 오래 돌고 있을수록, 빛 고리가 사건 지평에 가까워진다.

하버드 대학교의 블랙홀 이니셔티브의 마이클 존슨은 “블랙홀 이미지에는 일련의 동심원 고리가 포함돼 있다. 각 고리의 직경은 거의 같지만 나이에 따라 더 얇고 약하며 날카로워진다. 빛이 관찰자에게 도달하기 전에 블랙홀을 더 자주 돌기 때문이다.”고 설명했다.

우주 시간 캡슐로서의 하부 고리

흥미로운 점은 이 효과가 광자 고리가 우주 시간 캡슐처럼 작용하게 한다.
여기에는 다양한 연령대의 빛과 정보가 들어 있다.
천문학자들은 “이러한 각 하부 고리는 블랙홀에서 보여지는 것처럼 점점 더 시간이 지연되고 압축된 우주의 스냅샷이다. 이러한 고리들은 우주의 역사를 보여주는 비디오의 개별 이미지와 유사하다."고 설명한다.

광자 고리는 블랙홀 자체에 대해 많은 것을 알려주고 있다.
고리의 모양과 크기로 인해 블랙홀의 질량과 회전에 대한 결론을 도출 할 수 있다.
연구원들은 “이러한 하부 고리의 크기, 모양 및 두께를 측정 할 수 있다면 블랙홀 바로 근처에서 시공간을 탐색할 수 있는 새롭고 효과적인 방법이 될 것이다.”고 말한다.

광자 고리를 ​​볼 수 있을까?

그러나 문제는 사건 지평 망원경(Event Horizon Telescope)에서 상호 연결된 망원경은 지구 크기의 무선 안테나에 해당하지만, 해상도는 광자 고리를 ​​볼 수 있을 정도로 충분하지 않았다. 블랙홀 주변의 방사성 디스크에서 나오는 훨씬 더 강한 빛으로 덮어진다. 존슨은 “현재의 EHT 사진으로 전체 복잡성의 일부만 캡처했다.”고 설명했다.

Johnson과 그의 팀은 모델을 사용해 광자 고리를 ​​전혀 볼 수 있는지 여부와 방법을 결정했다. 이것에서 그들은 블랙홀의 확산 빛 고리를 그 구성 요소별로 분리했다. 블랙홀의 고전적인 이미지에서 광자 고리는 총 광밀도의 약 10%를 구성하고 있음을 보여주었다.

▲ 광자 고리의 첫 번째 하부 고리를 보이게 하려면 지구 궤도에 있는 망원경이면 충분하다. © George Wong (UIUC) 및 Michael Johnson (CfA)

망원경 2대면 충분

천문학자들은 “첫눈에 이 약한 빛은 광자 고리와 더 약한 하부 고리의 직접 관찰을 방해한 것으로 보인다”고 말했다. 존슨은 “기존의 고리는 다른 이미지의 내부에 있는 고리가 일반 이미지에서는 거의 보이지 않지만 완벽한 사진에서도 간섭계에 대한 명확하고 강한 신호를 생성한다”고 말했다.

따라서, 멀리 떨어진 두 망원경은 광자 고리의 일부를 포착하기에 충분하다.
광자 고리를 ​​감지하는 데에는 결합하는 망원경의 수가 아니라 기준선(가장 먼 안테나 사이의 거리)이 중요하기 때문이다. 천문학자들은 “사건 지평 망원경에 우주 망원경만 추가하면 충분할 것”이라고 말했다. 그러나 빛 고리가 오래될 수록 망원경 사이의 거리가 멀어져야 한다.

지구 궤도와 달

연구자들이 설명하는 것처럼, 하나의 궤도를 완성한 광자로 만든 최초의 가장 밝은 하부 고리에는 낮은 지구 궤도의 추가 무선 망원경으로 충분할 수 있다. 그러나 두 번째로 오래된 빛 고리는 달이나 달 궤도에 추가 망원경이 필요하다. 그리고 세 번째 하부 고리를 보려면 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 라그랑지 포인트2 (Lagrangepoint 2)에 망원경이 필요하다.

이 계산은 언젠가 아인슈타인 광자 고리가 실제로 관찰될 수 있다는 희망을 준다.
망원경을 지구 궤도로 가져오는 것은 비현실적이지 않기 때문이다.
우주 연구 관련 기관이 달의 우주 정거장이나 달 기지를 계획한다면, 두 번째 하부고리 조차도 가능할 것이다.

출처 :
Institute for Advanced Study, Center for Astrophysics – Harvard & Smithsonian (CfA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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