우리은하 중심부의 블랙홀을 최초 관측하다

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우리은하 중심부의 블랙홀을 최초 관측하다
드디어 공개된 우리은하의 심장 궁수자리 A* 블랙홀

2022.05.13 09:00 김민재 리포터

3년 전, 인류 역사 최초로 블랙홀의 그림자가 공개되다

지난 2019년 4월 10일 (한국시간 4월 10일 오후 10시), EHT (Event Horizon Telescope) 팀은 인류 역사 최초로 지구에서 약 5,500만 광년 떨어진 M87 은하의 초대질량 블랙홀 M87*(* 표시는 블랙홀로 추정된다는 의미)의 가장자리 생김새를 공개했다.

M87 은하의 초대질량 블랙홀 M87*의 관측 이미지와 대략적인 크기 (우리 태양계와 비교) © EHT

연구팀은 대규모 블랙홀 관측자료를 처리하기 위하여 슈퍼컴퓨터를 이용했고, 블랙홀에 대한 다량의 영상을 재현하며 비교해 보는 모의실험을 장기간 진행했다. 이를 통한, 관측의 보정과 영상화 작업도 성공적으로 마치며, 마침내 블랙홀의 그림자를 관측하는 데에 성공했다.

인류 최초 블랙홀 관측의 주인공이었던 케이티 보우만 교수 © EHT/Youtube

물론 블랙홀 자체는 완전히 어두우며 어떤 빛과도 상호작용하지 않기 때문에 직접 볼 수는 없다. 하지만 블랙홀의 강력한 중력에 의해 주변의 시공간은 휘게 되며 이를 통해서 밝은 도넛 모양의 구조로 둘러싸인 물질들과 어두운 중앙 영역(그림자)을 관측함으로써 블랙홀이 있음을 직간접적으로 알 수 있게 된다.

블랙홀의 구조 © ESO, NASA, 사이언스타임즈

천문학자들은 그동안 거대질량블랙홀이 회전 하면서 주변으로 방출하는 X선/감마선 등의 전자기파를 관측하며 간접적으로 블랙홀이 존재함을 확인해 왔지만, EHT 망원경을 통하여 “관측이 불가능한 천체”를 관측하게 된 것이다.

지구 크기의 거대한 망원경

망원경은 빛을 모으는 능력인 집광력과 멀리 떨어져 있는 천체를 얼마나 잘 구분할 수 있는지를 나타내는 능력인 분해능이 좋아야 한다. 전파간섭계는 전파망원경의 분해능 한계를 극복하기 위하여 개발된 기술로, 이를 이용하면 지구를 거대한 하나의 망원경으로 만들 수 있다. 이를 통하여 높은 분해능을 구현할 수 있으며, 은하 중심의 블랙홀 등을 관측할 수 있게 된다.

이번 관측에 이용된 망원경들 © EHT/Youtube

우리나라 한국천문연구원과 다수의 한국 천문학자 및 과학·공학자들도 참여하고 있는 EHT 국제 공동 연구진은 ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), APEX(Atacama Pathfinder EXperiment), IRAM, NOEMA(NORthern Extended Millimeter Array)등의 망원경을 비롯하여 전 세계에 위치해 있는 8개의 기존 전파망원경을 연결하며 하나의 망원경처럼 운용하는 ‘초장기선 전파간섭계(VLBI: Very Long Baseline Interferometry)’ 기술을 활용하고 있다. 이를 통해서 지구 규모의 가상망원경을 구축했으며, 대략 뉴욕에 있는 사람이 뮌헨의 맥줏집에서 사람들이 마시는 맥주의 거품을 식별할 수 있을 정도의 초고해상도 전파망원경을 만들 수 있다.

EHT관측을 함께 수행하고 있는 전세계의 망원경들 © EHT/Youtube

참고로 우리나라에도 전파간섭계가 있다. 한국우주전파관측망(KVN: Korean VLBI Network)이라고 불리는 전파간섭계는 서울, 울산, 제주(연세전파천문대·울산전파천문대·탐라전파천문대)에 위치한 직경 21 m 전파망원경 3기를 이용하고 있다. 위 망원경을 이용하여 동시에 같은 천체를 관측한 후, 관측된 데이터를 하나로 합성하게 되면, 마치 서울-제주의 거리에 이르는 500 km 구경을 가진 전파망원경으로 관측한 것과 동일한 분해능(한개의 전파 망원경보다 무려 2만배나 높은 분해능 구현 가능)을 구현할 수 있게 된다. 매우 고무적인 점은 한국천문연구원이 이미 다양한 망원경팀에 활발한 참여를 하고 있음에도 불구하고, 한국우주전파관측망을 EHT팀에 참여시키려고 노력하고 있다는 점이다.

3년 후, 또 다른 블랙홀이 공개되다

첫 블랙홀 그림자 관측으로부터 약 3년 뒤 (한국 시각으로 2022년 5월 12일 밤 10시), 전 세계인들의 이목은 다시 한번 독일에 위치해있는 유럽남방천문대(ESO) 본부에 집중되었다. EHT 팀이 또 다른 블랙홀의 이미지를 공개했기 때문이다. 참고로 EHT팀의 국제 공식 설명회 이후, 한국천문연구원도 언론 설명회를 중심으로 한국측 연구진의 브리핑을 진행했다.

한국시각으로 5월 12일 밤에 공개된 우리은하 블랙홀 궁수자리 A*의 모습© EHT/Youtube

이번에 EHT 연구팀이 관측한 천체는 우리은하의 중심에 있는 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A* (Sgr A*) 블랙홀로 현재까지 인류가 관측한 블랙홀 중 가장 가까운 블랙홀이다.

우리은하 중심부의 전갈자리와 궁수자리 모습 © EHT/Youtube

우리은하 블랙홀 궁수자리 A*의 모습© EHT/Youtube

연구팀은 지구 크기의 거대한 망원경을 이용하여 위 블랙홀을 여러 날에 걸쳐서 관측하였고, 이를 통해서 마침내 오랫동안 기다려온 우리은하 심장부 블랙홀을 공개하는 데 성공했다.

EHT 관측에 관해서 설명하고 있는 독일 뷔르츠부르크 대학교 물리학과 교수 크리스티안 프롬 © EHT/Youtube

미국 애리조나 대학의 Steward Observatory에서 근무하고 있는 EHT 과학자 Chi-kwan Chan 박사에 따르면, EHT 연구팀은 두 블랙홀 주변의 가스 운동을 설명하기 위해서 정교하고 새로운 이론 및 관측 모델을 개발했다고 한다. 여러 이미지가 거의 비슷하게 보이던 M87의 블랙홀에 비해서, 우리은하의 블랙홀은 매우 다양한 모습을 보이고 있다.

우리은하의 블랙홀은 매우 다양한 이미지를 보여주고 있다 © EHT/Youtube

따라서 이번에 공개된 이미지는 전 세계 80개 연구소에서 300명 이상의 EHT 과학자들이 추출한 이미지의 평균값을 나타낸다.

EHT 연구진들 © EHT/Youtube

우리은하의 심장인 궁수자리 A* 블랙홀 VS. M87 은하의 블랙홀

궁수자리 A* 블랙홀은 지구에서 약 2만 7,000광년 떨어진 궁수자리에 위치해 있으며, 거리는 M87 은하와 비교해서 겨우 2,000분의 1 수준밖에 안 되는 가까운 거리에 위치해 있다. 위 블랙홀은 M87* 보다 훨씬 가깝지만, 질량은 보다 훨씬 작으며 (M87*은 태양의 430만 배로 65억 배에 달함), 크기도 1,000배 이상 작다. 또한 위 블랙홀의 관측은 두꺼운 가스와 먼지구름에 가려져 있었다.

우리은하 블랙홀의 크기. 지구에서 바라볼때 52 마이크로초각(µas)의 크기를 보이고 있다. 참고로 1 마이크로초각은 1/1000000 초를 나타내며 이는 라디안으로 변환시 대략 4.85 prad의 값을 가지게 된다. © EHT/Youtube

한편, 궁수자리 A* 블랙홀은 질량이 작지만, 지구와의 거리가 가까운 탓에 M87* 블랙홀과 비슷한 크기를 보이고 있다. 하지만, 실제 크기는 태양계 전체 크기와 비슷한 M87* 블랙홀의 크기에 비해서, 우리은하의 블랙홀은 태양에서 수성까지의 거리 정도밖에 되지 않는다. 참고로 블랙홀은 거리가 멀더라도 질량이 크면 크기가 커지기에 오히려 관측하기가 더 쉬워진다.

이번 관측을 이끈 네덜란드 라이덴 대학교 후이브 판 랑게벨트 교수 © EHT/Youtub

매우 유사한 모습을 보이는 두 블랙홀

EHT팀의 결과에 따르면, 두 블랙홀은 놀라울 정도로 유사해 보인다. 이에 관해서 EHT 과학이사회(EHT Science Council)의 공동 위원장인 세라 마르코프(Prof. Sera Markoff) 교수는 완전히 다른 모습을 보이는 두 은하이지만 중심에 있는 블랙홀은 비슷한 모습을 보이고 있다고 밝히며 이는 아인슈타인의 일반상대성 이론에 의한 것(일반 상대성이론이 맞다는 간접적인 증거)이라고 주장했다. EHT 연구진 역시 블랙홀의 고리 크기가 이론 예측값과 매우 비슷한 크기를 보여주고 있다고 밝혔다. 자기 유체 역학을 고려한 컴퓨터 모델이 실제로 관측된 영상과 매우 일치함은 관측된 이미지를 통해서 블랙홀의 질량과 같은 세부 정보를 알 수 있기에 큰 의미를 갖는다.

M87*와 궁수자리 A*의 관측 비교 © EHT/Youtube

또한, 두 관측은 우리은하의 중심에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 우리의 이해를 크게 향상시켜줄것으로 기대된다. 이를 통해서 거대한 블랙홀이 주변 환경과 어떻게 연결되는지에 대한 새로운 통찰력을 제공해줄 수 있을것이다.

M87*와 궁수자리 A*의 실제 크기 비교 © EHT/Youtube

두 블랙홀은 어떤 차이가 있을까?

두 블랙홀이 비슷하면서도 다른 모습을 보이는 이유는 블랙홀을 둘러싼 물질들의 변화로 인해서 생기는것으로 추측되고 있다. 막스플랑크전파천문학연구소(Max Planck Institute for Radio Astronomy)의 안톤 첸주스 교수(Prof. Anton Zensus)에 따르면 우리은하의 블랙홀은 매우 낮은 강착률(accretion rate)을 보이고 있다고 한다. 또한, 이전 M87* 블랙홀과 비교했을 때 제트와 같은 강력한 물질 분출 현상은 없는 블랙홀로 밝혀졌다.

안톤 첸주스 교수 © EHT/Youtube

위 두 블랙홀이 어떻게 유사하고 다른지에 관해서 공통점과 차이점을 분석하면, 초거대 질량 블랙홀 주변에서 가스가 어떤 방식으로 상호 작용하는지 알 수 있으리라 기대된다. 즉, 블랙홀 제트의 물리학적 기원과 은하의 형성에 관해서 이해하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. EHT 과학자 케이이치 아사다 박사 (Dr. Keiichi Asada) 역시 두 초거대 질량 블랙홀의 차이점이 반드시 연구되어야 한다고 밝히며 이를 통해서 여러 극한 환경에서의 중력 거동을 알 수 있을것이라고 큰 기대감을 보였다.

더 놀라운 블랙홀 관측이 기대된다

스페인의 천문학자이자 유럽남방천문대장인 사비에르 바르콘스 교수(Prof. Xavier Barcons)는 위 발견에 대해서 유럽남방천문대가 오랜 세월 동안 우리은하 블래홀에 숨겨있는 수많은 미스테리를 푸는데 큰 역할을 했다고 밝히며 이는 전 세계 연구원들이 함께 EHT 협업을 구성한 덕분에 가능해졌다고 주장했다.

EHT의 블랙홀 관측은 인류 천문학에 한 획을 그었다고 해도 과언이 아니다. 하지만 더 놀라운 점은 위 발견이 계속될 것이라는 점이다. 예를 들어서 2022년 5월 현재를 기점으로, 그 어느 때보다 많은 망원경이 블랙홀 관측에 참여하고 있다. 이처럼 EHT 네트워크의 지속적인 확장과 여러 기술 업그레이드가 계속 된다면, 가까운 미래에 훨씬 더 놀라운 블랙홀 관측 이미지와 영상을 제공할 수 있을 것으로 예상되고 있다.