블랙홀 관측을 가능케한 핵심기술은 무엇일까?

EHT(Event Horizon Telescope) 프로젝트 국제연구진은 2019년 4월 10일 세계 최초로 블랙홀 관측 영상을 발표해 큰 주목을 받았다.

블랙홀은 빛까지 빨아들일 만큼 강력한 중력을 지녀 육안을 통해 관측하는 것은 불가능하다.

EHT 프로젝트에 직접 참여한 정태현 한국천문연구원 박사는 8월 10일 국립과천과학관에서 열린 특별강연회를 통해 블랙홀 관측 영상 소개 및 관측기술에 대해 강연했다.

빛까지 묶어놓는 블랙홀, 육안 관측 불가

블랙홀에 대한 아이디어는 오래전부터 제기돼왔다.

과학자 존 미첼은 1784년 밀도가 높고 중력이 매우 강해 빛도 빠져나가지 못하는 검은 별이 존재할 수 있다는 가설을 최초로 제기했다. 이후 1967년 존 휠러에 의해 ‘블랙홀’이라는 용어가 보편화되기 시작했다.

블랙홀이 빛을 묶어놓을 수 있는 원리는 어떤 천체의 중력에서 탈출할 수 있는 최소 속도인 ‘탈출속도’ 개념으로 설명할 수 있다.

블랙홀처럼 강력한 중력장을 지닌 천체에서 벗어나기 위해서는 굉장히 높은 탈출속도가 필요하다.

만약, 물체의 탈출속도가 빛의 속도와 같을 정도로 천체(블랙홀) 중력장이 강하다면, 빛의 속도로도 천체를 벗어날 수 없게 된다.

이렇게 빛이 벗어날 수 없는 중력장의 경계가 되는 구역을 ‘사건 지평선’이라고 부른다.

슈바르츠실트 반지름 공식에 따르면, 현재 태양 질량의 천체가 블랙홀이 됐을 때 사건 지평선 반경은 3km에 불과하다는 계산이 나온다.

즉, 3km 반경 내에 태양의 모든 질량이 뭉쳐있을 뿐만 아니라 빛이 빠져나가지 못하는 중력장 구간까지 함께 존재한다는 뜻이다.

EHT 국제연구진이 이번에 관측한 처녀자리 M87 중심 블랙홀은 태양 질량의 65억 배, 사건 지평선 직경이 400억km에 달한다.

이처럼 엄청난 중력장을 지닌 블랙홀의 사건 지평선 내에서는 빛조차도 탈출이 어려워 중심부가 검게 보인다.

기존에는 간접적인 방법으로만 관측

블랙홀을 관측하기 위해서는 전파망원경을 사용해야 한다.

전파망원경은 우리 눈에 보이지 않는 다양한 파장대의 전자기파를 관측할 수 있어 광학망원경이 갖는 한계를 극복할 수 있다.

이번 처녀자리 M87 중심 블랙홀을 직접 관측하기 이전에는 전파망원경을 활용한 2가지 관측 방법을 주로 사용했다.

첫 번째는 엄청난 양의 X선을 관측하는 것이다.

블랙홀의 존재를 최초로 확신하게 된 때는 1967년으로, 백조자리(Cygnus) X-1 천체에서 발산되는 엄청난 양의 X선을 관측하면서부터다.

블랙홀 주변 고온‧고압 환경에서 물질이 빠르게 회전해 빨려 들어가면서 그 반대급부로 원반 수직방향으로 Z류가 관측되는데, 이 Z류가 바로 X선이다.

지구에서 관측할 수 있는 가장 강력한 X선이 백조자리 X-1에서 관측됨에 따라 과학자들은 블랙홀의 존재에 대해 간접적으로나마 확신할 수 있게 되었다.

블랙홀을 관측하는 두 번째 방법은 블랙홀 주변 천체들의 움직임을 관찰하는 것이다.

블랙홀이 지닌 강력한 중력은 주변 천체들이 움직이는 궤도를 왜곡한다.

따라서, 천체의 존재가 확인되지 않는 어떤 영역을 중심으로 다른 천체들의 궤도가 휘어지고 있다면 이 영역에 블랙홀이 존재한다고 의심할 수 있다.

이러한 방식은 은하 중심에 존재하는 블랙홀을 관측하는데 주로 사용된다.

우리 은하 중심부 주변 천체들을 16년간 VLT(Very Large Telescope) 망원경으로 관측한 결과, 아무런 빛이 발견되지 않는 지점을 중심으로 타원운동을 하고 있는 것이 발견됐다.

이러한 천체들의 타원운동은 태양보다 400만배 큰 질량이 중심에 존재해야 가능한 것으로 계산된다. 이는 우리 은하 중앙에 블랙홀이 존재한다는 사실을 시사하고 있다.

VLBI 방식으로 블랙홀 직접 관측 가능해져

EHT 국제연구진은 전파망원경을 사용해 블랙홀을 어떻게 직접 관측했을까?

전파망원경은 광학망원경과 비교해 집광력은 좋지만 분해능 측면에서는 아주 불리하다.

분해능은 떨어진 두 물체를 얼마나 정확히 구분해낼 수 있지에 대한 것으로 관측 파장이 길수록 나쁘고, 망원경 직경이 클수록 좋다.

전파망원경이 관측하는 파장은 약 1mm에서 100m 수준으로, 가시광선 파장대가 380~760nm인 것을 감안하면 관측 파장이 길고 그 스펙트럼도 넓다.

이렇게 관측 파장이 길면 망원경의 분해능이 떨어지기 때문에 가까이 붙은 천체들을 분리해 관측하기가 어렵다.

이를 극복하기 위해 적용된 기술이 바로 ‘전파 간섭계’ 기술이다.

전파 간섭계 기술은 여러 개의 전파망원경으로 같은 천체를 동시에 관측함으로써 직경이 매우 큰 전파망원경이 가질 수 있는 분해능을 얻을 수 있다.

이번 블랙홀 관측에 사용된 ‘초장기선 전파 간섭계’(Very Long Baseline Interferometer, VLBI) 기술은 6개 대륙의 8개 전파망원경을 사용한 초대형 프로젝트다.

블랙홀이 내는 1.3mm의 전파를 관측할 수 있는 전파망원경 8개가 독립적으로 전파를 받아 가상의 초점에 모으는 작업을 진행했다.

이렇게 관측한 데이터를 합성한 후 슈퍼컴퓨터를 이용해 자료처리 및 영상화 작업을 수행했다.

오차 발생을 우려해 사전에 정보를 공유하지 않은 4개 팀이 동시에 영상처리 결과를 도출했다.

4개 팀 모두 거의 비슷한 블랙홀 관측 영상을 내놓으면서 높은 신뢰도를 인정받았으며, 이후 EHTC 국제공동연구팀 이름으로 6편의 논문으로 발표됐다.

정태현 박사는 “블랙홀의 실제 관측은 10년 전까지 만해도 꿈도 못꿨다”며, “VLBI 기술로 향후 우리 은하 중심에 있는 궁수자리A*(Sagittarius A*) 블랙홀도 관측할 계획이다”고 밝혔다.