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- 알버트 아인슈타인이 예측한 현상인 블랙홀의 광자 고리를 처음으로 볼 수 있게 했다.
- 이 현상은 빛이 블랙홀의 중력에 의해 휘어질 뿐만 아니라 포착될 때 발생
- M87*의 사건 지평선에서 EHT 복사를 관측한 결과 좁은 고리 모양의 빛 존재 사실 확인

광자 고리의 첫 번째 이미지
천문학자들이 처음으로 블랙홀의 내부 빛고리를 볼 수 있게 했다.

독특한 통찰력:
천문학자들은 알버트 아인슈타인이 예측한 현상인 블랙홀의 광자 고리를 처음으로 볼 수 있게 했다. 이에 따르면 블랙홀에 포착된 광자는 사건의 지평선에 가까운 동심원 광자 경로로 구성된 얇은 빛의 고리를 형성한다. 블랙홀 M87*의 이벤트 호라이즌 망원경으로 기록된 데이터를 재분석하여 팀은 이제 이 고리를 볼 수 있게 만들었다. 

▲ 4개의 다른 관찰일에 광자 고리와 빛(파란색)을 동반하는 확산. © Broderick et al./ The Astrophysical Journal, CC-by 4.0

2019년에 블랙홀의 첫 번째 사진이 공개되었다.
이 사진에 대한 데이터는 EHT(Event Horizon Cluster)의 결합된 전파 망원경이 제공했다. 보이는 것은 중심 그림자로 보이는 초거대질량 블랙홀 M87* 주변의 도넛 모양의 광선 고리였다. 나중에 EHT 데이터를 기반으로 천문학자들은 양극화와 자기장을 사건의 지평선 근처에서 볼 수 있게 하는 데도 성공했다.

▲ 이것은 블랙홀의 첫 번째 이미지다. 중력 거인의 어두운 그림자가 사건의 지평선의 밝은 고리에 둘러싸여 보인다. © Event Horizon Telescope Collaboration

포획된 광자의 고리

캐나다 Perimeter Institute for Theoretical Physics의 Avery Broderick이 이끄는 팀은 이제 또 다른 돌파구를 마련했다. 처음으로 블랙홀의 광자 고리를 볼 수 있게 했다. 알버트 아인슈타인이 이미 예측한 이 현상은 빛이 블랙홀의 중력에 의해 휘어질 뿐만 아니라 포착될 때 발생한다. 사건의 지평선 바로 밖에 있는 이 갇힌 광자는 좁은 영역을 형성하여 오랫동안 궤도를 돌고 있다.

▲ 이 이미지는 블랙홀 M87* 주변의 얇은 광자 고리를 처음으로 보여준다. 파란색 등고선은 이 블랙홀의 첫 번째 이미지에서 볼 수 있는 숨겨진 잔류광의 광도 분포를 보여준다. © Broderick et al./ 천체물리학 저널 2022

광자가 오래될수록 사건의 지평선에 더 가까워진다. 이것은 고대 빛을 위한 일종의 타임캡슐인 동심 하위 링으로 분할된 좁은 빛의 고리를 형성한다. 천체물리학자들은 이미 이 현상을 모델에서 더 자세히 조사했지만 아무도 아직 광자 고리를 보지는 못했다. Event Horizon 망원경 배열의 엄청난 해상도로도 충분하지 않다고 가정했다.

원시 데이터를 디지털 방식으로 "리마스터링“

Broderick의 팀은 나머지 산란광으로부터 광자 고리의 복사선을 구별하고 분리할 수 있는 방식으로 블랙홀 M87*의 EHT 데이터를 "리마스터링"했다. "우리는 반딧불이를 보기 위해 헤드라이트를 껐다"라고 Broderick은 설명했다. 그러나 이 “반딧불이(광자 고리의 가장 밝은 부분)”는 두께가 약 1마이크로아크초에 불과하다. 이는 EHT의 공칭(nominal value, 실제 값과 동일하지는 않지만 근접한 명목상의 값) 분해능인 약 20마이크로아크초보다 작기 때문이다.

▲ 분산 가중 평균(왼쪽 위)과 표준 편차(왼쪽 아래)에 의해 생성된 확산 방출의 누적 이미지와 Kim et al.의 3mm에서 누적된 글로벌 3mm VLBI 어레이(GMVA) 맵의 비교. (2018; 오른쪽). GMVA 지도에서 확장된 제트가 명확하게 표시되고 등고선은 ( − 1, 1, 1.414, 2, ...) × 0.47 mJy beam−1에 위치합니다. 확산 방출 맵의 등고선은 그림 5와 동일합니다. Kim et al. (2018)은 각 패널에 흰색 실선(위)과 점선(아래)으로 표시되며 원점은 열린 녹색 원으로 표시. 평균 반경이 22.22μas인 링은 빨간색 점선으로 표시. 인접 패널의 경계는 녹색 점선으로 표시. 녹색 원으로 표시된 것은 Hada et al.의 2.3GHz(가장 오른쪽), 5, 8.4, 15.2, 23.8 및 43.2GHz(가장 왼쪽 닫힘)에서 측정된 코어 이동이다. (2011) 3mm 코어(오른쪽 열림)의 예상 위치를 참조했다. 1.3mm 코어(왼쪽 열린 상태)의 예상 위치는 확산 방출의 피크와 일치한다. (출처: 과련논문 The Photon Ring in M87*)

"우리가 고리의 두께를 즉시 볼 수 없더라도 시각적 데이터는 약 40초의 이 고리의 예상 직경을 보여줄 수 있어야 한다"라고 천체물리학자들은 설명했다. 이 지식을 바탕으로 그들은 이 지역에 대한 Event Horizon 망원경의 원시 데이터를 재분석하는 특별한 알고리즘을 개발했다. "EHT는 본질적으로 안테나의 강철에 의존하는 것만큼이나 알고리즘에 의존하는 디지털 기기다"라고 Broderick은 설명했다.

서로 다른 4일의 광자 고리

이를 통해 팀은 불가능해 보이는 일을 달성할 수 있었다. 그들은 4일 동안의 서로 다른 관찰 데이터 세트의 얇은 광자 고리에서 비교적 약한 빛을 식별할 수 있었다. 결과는 M87*의 광자 고리의 첫 번째 이미지다. 천문학자들은 "M87*의 사건 지평선에서 EHT 복사를 관측한 결과 좁은 고리 모양의 빛이 존재한다는 사실이 확인됐다"고 보고했다. 그것의 복사는 주로 동심 하위 링의 가장 바깥쪽과 가장 밝은 곳에서 나온다.

▲ 래스터 이미지 모델을 기반으로 한 M87의 밝기 온도 맵. 2 × 109K에서 8 × 109K 범위의 중첩된 평균 이미지의 윤곽선이 있는 최대 가능성 샘플(상단), 평균 이미지(중간) 및 표준 편차가 2 × 109K(하단) 단계로 표시. 각 맵은 각 패널의 왼쪽 하단에 표시된 15μas 가우시안 빔으로 매끄럽게 처리되었으며, 결과적으로 약 20μas의 결합된 유효 분해능이 나타나므로 이를 Paper IV의 결과와 보다 직접적으로 비교할 수 있다.(출처: 관련논문)

"우리는 중요한 일을 했다. 블랙홀 주변의 근본적인 중력 신호를 발견했다"라고 Broderick은 말했다. 광자 고리의 4개 이미지는 크기와 모양 면에서 이론적 예측의 예상과 일치할 뿐만 아니라 시간적 발전도 볼 수 있다. 광자 고리의 더 어두운 부분은 관찰 기간에 위치와 밝기를 변경한다. 팀은 M87*의 입자와 광선 제트의 '발자국'이 여기에서 보일 수 있다고 생각한다.

구속된 블랙홀의 질량과 크기

"그러나 훨씬 더 중요한 것은 변하지 않는 것이다. 좁은 광자 고리는 크기에 큰 변화를 보이지 않는다"라고 연구원들은 강조했다. 고리의 크기는 블랙홀의 중력에 의해 결정되고 빠르게 변하지 않기 때문이다. 측정 데이터에 따르면 광자 고리의 지름은 43.48마이크로아크초이다. 이것은 또한 이벤트 지평선의 크기를 조금 더 좁히는 데 도움이 된다.

▲ 대표적인 I5×5+A 모델(왼쪽) 및 I5×5+A+X 모델(오른쪽)에 대한 이미지 래스터 제어점의 위치 그림. 두 모델에 대한 강도 맵 간의 직접적인 비교를 용이하게 하기 위해 각 패널의 왼쪽 하단에 표시된 것처럼 둘 다 15μas 가우시안 빔으로 부드럽게 처리되었다.

이 값을 기반으로 천문학자들은 이전에 가능했던 것보다 더 정확하게 블랙홀의 질량을 결정할 수 있었다. 은하 M87의 중심 블랙홀은 71억 3천만 태양 질량의 질량을 가지고 있다. 비교를 해보면 우리 은하의 중심 블랙홀인 궁수자리 A*는 우주 규모에서 태양 질량이 약 4.1에 불과하다.

Broderick과 그의 동료들은 이제 향후 관측에서 블랙홀 M87*에 대한 더 많은 정보를 수집하고 시각화하기를 희망한다. "점점 더 많은 망원경이 네트워크에 추가됨에 따라 데이터의 품질과 양이 증가함에 따라 현재 관찰되는 서명에 대해 훨씬 더 정확한 경계를 설정할 수 있게 될 것이다"라고 공동 저자인 Harvard 대학의 Paul Tieded가 말했다.
(천체물리학 저널, 2022, doi: 10.3847/1538-4357/ac7c1d)
출처: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Perimeter Institute for Theoretical Physics, University of Waterloo

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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