우리 블랙홀의 첫 번째 사진

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-05-13 14:07:56
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- 아인슈타인을 확인하게 하는 궁수자리 A*의 초상화

우리 블랙홀의 첫 번째 사진
이벤트 호라이즌 망원경은 처음으로 궁수자리 A*가 은하수 중심에서 어떻게 보이는지 보여준다.


획기적인 이미지:
천문학자들이 우리 은하 중심에 있는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 포착했다. Event Horizon 망원경 이미지는 회절광선의 밝은 고리로 둘러싸인 궁수자리 A*의 어두운 그림자를 보여준다. 이 사진은 이제 이 블랙홀의 존재를 시각적으로 증명하고 아인슈타인의 예측을 확인시켜준다. 또한 이제 약 1000배 더 큰 블랙홀 M87*과의 초기 비교가 가능하다. 

▲ 은하수 중심부에 있는 초대질량 블랙홀의 첫 번째 이미지 © EHT Collaboration

은하수의 중심에는 초거대질량 블랙홀인 궁수자리 A*가 있다. 약 400만 태양 질량을 가진 이 중력 거인은 은하수 중심에 있는 무수한 별의 궤도에 영향을 미치고 심지어 빛의 속도를 늦추기까지 한다. 그러나 블랙홀은 비활성 상태이며 많은 양의 물질을 흡수하지 않기 때문에 지금까지 보이지 않는 상태로 남아 있다. 천문학자들은 별과 가스의 움직임만을 사용해 그 위치를 정확히 찾아내고 자전과 자기장과 같은 특징에 대한 첫 번째 단서를 얻을 수 있었다.

궁수자리 A*를 더욱 어렵게 만든 것은 블랙홀이 27,000광년 떨어져 있어 짙은 먼지와 별 뒤에 숨겨져 있기 때문이다. 우리의 관점에서 사건 지평선은 달에 있는 테니스 공 크기에 불과하다. 따라서 가장 강력한 망원경조차도 많이 볼 수 없었다.

아인슈타인을 확인하게 하는 궁수자리 A*의 초상화

최근 처음으로 천문학자들은 은하수 중심에 있는 블랙홀의 사진을 찍는 데 성공했다. 획기적인 이미지를 위해 그들은 8개의 전파 망원경으로 구성된 글로벌 협회인 Event Horizon 망원경 네트워크의 결합된 망원경을 사용했다. 그들은 함께 EHT 협력의 천문학자들이 2017년 여러 밤 동안 은하수 중심을 표적으로 삼는 데 사용한 지구 크기에 가까운 가상 안테나 접시를 형성한다.

결과 이미지는 처음으로 우리 은하의 중심부에 중력 거인의 출현을 보여준다. 중간에 블랙홀의 어두운 그림자가 보인다. 빛조차 더 이상 빠져나갈 수 없는 영역이다. 그림자를 둘러싼 것은 블랙홀의 중력에 의해 유지되고 회절되는 밝은 복사 고리다. 알버트 아인슈타인은 이미 블랙홀에 대한 그러한 고리 형성을 예측했다.

타이페이에 있는 Academia Sinica의 천문학 및 천체 물리학 연구소의 Geoffrey Bower는 "우리는 고리의 크기가 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 예측과 얼마나 잘 일치하는지에 놀랐다"고 말했다.
▲ 칠레의 ALMA 천문대에 있는 전파 망원경은 Event Horizon 망원경의 일부로, 이제 처음으로 궁수자리 A*를 볼 수 있게 되었다. © ESO, Jose Francisco Salgado(josefrancisco.org)/ EHT collaboration

은하수 중심의 새로운 모습

따라서 궁수자리 A*의 이미지는 은하수의 중심에 있는 물체가 실제로 블랙홀이라는 직접적인 시각적 증거를 제공한다. "이러한 전례 없는 관찰은 우리 은하의 중심에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 우리의 이해를 크게 향상시켰다"고 Bower는 말한다. "그들은 이 거대한 블랙홀이 환경과 어떻게 연결되어 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공한다.“

동시에 초거대질량 블랙홀의 첫 번째 사진과 첫 번째 비교가 가능하다. 이것은 먼 은하 M87의 중심에 있으며 훨씬 더 무겁고 궁수자리 A*보다 약 1000배 더 크다. Bower의 동료인 Keiichi Asada는 "우리는 이제 두 개의 블랙홀 이미지를 가지고 있다. 하나는 질량 스펙트럼의 높은 쪽과 다른 쪽은 낮은 쪽이다“고 설명했다.

두 거인의 비교

이제 두 블랙홀을 비교함으로써 천문학자들은 그러한 중력 거인의 중력 효과를 이전보다 더 잘 탐구하고 이해할 수 있게 됐다. "이제 우리는 이 중요한 과정이 어떻게 작동하는지에 대한 귀중한 새로운 통찰력을 얻기 위해 이 두 초거대질량 블랙홀의 차이점을 연구할 수 있다"고 Asada가 말했다.

새로운 이미지는 이미 두 개의 블랙홀이 크기 차이에도 불구하고 현저하게 유사하다는 것을 보여준다. 암스테르담 대학의 세라 마코프(Sera Markoff)는 "이는 일반 상대성 이론이 이러한 물체의 근거리에서 우세하다는 것을 말해준다. 주변 물질의 양과 유형의 차이가 작용하는 것은 사건 지평선에서 더 먼 거리에서만 발생한다”고 설명했다.

막스 플랑크 외계 물리학 연구소의 천문학자 라인하르트 겐젤이 이 인터뷰에서 녹음의 중요성에 대해 자세히 설명했다. 그는 궁수자리 A*에 대한 연구로 2020년 노벨상을 수상했다.
▲ 중력 거인 비교: 초거대질량 블랙홀 M87*은 궁수자리 A*보다 천 배 더 크지만 둘 다 매우 유사해 보인다. © EHT Collaboration

어려운 조건에서 관찰


관측 데이터에서 사진을 편집하는 것은 천 배 더 큰 블랙홀 M87*보다 궁수자리 A*가 훨씬 더 어려웠다. 그 이유는 "고유" 블랙홀 주위에서 빛나는 플라즈마의 빠른 이동 때문이다. "가스가 더 큰 M87*을 도는 데 며칠에서 몇 주가 걸리지만 훨씬 작은 Sgr A* 주위를 한 바퀴 도는 데 몇 분 만에 완료된다." 애리조나 대학의 찬치관의 설명이다.

그 결과, 궁수자리 A* 주변의 가스의 밝기와 패턴은 관찰하는 동안 지속적이고 빠르게 변화한다. "꼬리를 빠르게 쫓는 강아지의 선명한 사진을 얻으려는 것과 비슷하다"고 Chan이 말했다. 따라서 천문학자들은 사진을 생성하기 위해 촬영된 모든 이미지의 일종의 평균을 생성해야 했으며, 여기에는 엄청난 계산 노력과 특수 분석 도구의 사용이 포함되었다. 이 5년간의 작업에는 전 세계 80개 연구소에서 300명 이상의 연구원이 참여했다.
(The Astrophysical Journal, Special Issue, 2022; doi: 10.3847/2041-8213/ac6674)
Source Event Horizon Collaboration, 유럽 남부 천문대

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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