이번엔 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정 성공 – KS News

이번엔 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정 성공

– 기존 관측보다 약 100배 먼 거리의 블랙홀 자기장 강도 추정

– 한일공동 우주전파관측망(KaVA)를 통해 관측

■ 한국천문연구원이 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정에 성공했다. M87은 블랙홀은 지난 2019년 사건지평선망원경(이하 EHT, Event Horizon Telescope)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀이다.

□ 천문학자들은 블랙홀로부터 방출되는 제트*의 형성에는 자기장이 깊게 관여할 것이라 추측하고 있다. 이제까지 제트의 자기장 강도는 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처에서만 제한적으로 추정이 가능했는데, 블랙홀로부터 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 추정한 것은 이번이 처음이다.

     ※ 제트: 제트는 기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름을 말하는데, 노즐 같은 구조를 통과하며 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 방출되어 만들어진다. 블랙홀 주변의 강력한 자기장, 부착원반(또는 여기서 나오는 방출류)과 블랙홀의 상호 작용을 통해 강력한 제트 방출 현상이 발생한다.

□ 이번 연구에는 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(이하 KVN, Korea VLBI Network)과 일본국립천문대의 일본우주전파관측망(VERA Array)이 공동으로 운영하는 7개의 전파망원경으로 구성된 한일공동 우주전파관측망(이하 KaVA, KVN and VERA Array)을 활용했으며, 22GHz와 43GHz 주파수대로 준동시 관측했다.

□ 이를 통해 연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내의 플라즈마가 냉각되는 싱크로트론 복사냉각* 현상을 분석해 자기장 강도를 추정하는 데 성공했다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례하므로, 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다. 

     ※ 복사냉각: 어느 물체가 복사열을 흡수하는 양보다 방출하는 양이 많아 기온이 내려가는 현상을 의미한다. 제트 내의 플라즈마가 자기장에 의해 빛의 속도에 가깝게 운동할 때 방사선이 방출되면서 냉각된다. 

그림 1. M87에서 뿜어져 나온 제트의 복사냉각 분포도

복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 비례하므로, 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다.

색이 푸른 계열일수록 플라즈마가 방사 냉각에 의해 더 많이 냉각되었음을 나타내며 붉은 계열일수록 덜 냉각되었음을 의미한다. (자세한 내용은 그림 2 참고)

□ 그 결과, 블랙홀로부터 약 2-10광년(약 900-4,500 슈바르츠실트 반지름) 떨어진 거리에서 제트의 자기장 강도를 0.3에서 1가우스(Gauss)*로 추정했다. 이는 M87 제트의 자기장이 블랙홀 중심부에서부터 약 10광년의 거리까지 방출되는 동안 다른 외부 요인으로 인해 크게 소실되지 않았음을 의미한다.

    ※ 지구 자기장의 크기는 약 0.2 가우스~ 0.65 가우스다.

□ 본 연구 논문의 제1 저자인 한국천문연구원 노현욱 박사는 “KaVA 준동시 관측을 통해 초대질량블랙홀 중심부에서 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 파악할 수 있었다. 이를 통해 제트 자기장의 전반적인 분포를 파악하고 기존 제트 이론 연구와 비교해 제트 형성 기작을 검증해나갈 것”이라 밝혔다.

□ 한국천문연구원 손봉원 박사는“여러 주파수 VLBI 관측의 비교 분석은 제트의 물리적 특성을 이해하는 데 중요한 연구 기법이다”며 “블랙홀 연구는 여러 주파수대 동시 관측이 가능한 한국우주전파관측망(KVN)의 장점을 살릴 수 있는 분야라 앞으로도 지속적인 공동 연구와 성과를 예상한다”고 덧붙였다.

□ 한편, 본 연구는 천문학 및 천체물리학 (Astronomy & Astrophysics) 5월 24일자에 게재됐다. (보도자료 끝. 참고자료 있음.)

[참고자료 1] 그림 및 참고 영상

그림 2. 22GHz대와 43GHz대로 관측한 M87 제트 영상을 조합하여 나타낸 복사냉각 분포도

22GHz대와 43GHz대로 관측한 M87 제트 영상을 조합하여 복사냉각 분포도를 나타낸 이미지다. 22GHz 대역은 제트의 플라즈마가 비교적 덜 냉각된 부분을, 43GHz 대역은 방사 냉각에 의해 플라즈마가 더 많이 냉각된 부분을 보여준다. 제일 하단 그림에서 색이 푸른 계열일수록 플라즈마가 방사 냉각에 의해 더 많이 냉각되었음을 나타내며 붉은 계열일수록 덜 냉각되었음을 의미한다.

그림 3. M87 제트의 자기장 강도 분포 그래프

가로축은 거대 블랙홀로부터의 거리 (단위: 슈바르트실트 반지름), 세로축은 자기장 강도 (단위: 가우스)를 나타낸다. 기존 연구의 경우 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처(둥근 점선)의 자기장 강도를 추정한 반면, 본 연구는 M87 제트에서 멀리 떨어진 하류(검은색 사다리꼴)에서의 자기장 세기 분포 추정에 성공했다. 회색 점선은 이번 연구의 결과를 바탕으로 제트 상류 방향(블랙홀 근처)으로 대입하여 얻은 자기장 강도 분포이며, 이는 다양한 선행 연구에 의해 추정된 제트 기저 부근의 자기장 강도와 유사한 것을 확인할 수 있다.

[참고자료 2] M87 블랙홀 연구 관련 주요 내용

[참고자료 3] 관측 시설 설명

– KaVA(KVN and VERA Array) 한일공동 우주전파관측망

그림 4. 한국과 일본의 전파망원경 네트워크를 연결하면 직경 약 2000km 의 전파 망원경 구경과 같은 높은 감도와 자세한 공간 분해능을 얻을 수 있다. 단일 망원경으로는 이런 거대한 구경을 만들 수 없기 때문에 전파 간섭 효과를 이용한 전파간섭계를 활용한다. (ⓒ KASI, NAOJ)

그림 5. 한일공동VLBI관측망(KaVA). (위) KaVA의 망원경 배치도. (아래) 각 지점의 전파망원경. 왼쪽에서부터 한국의 연세, 울산, 제주와 일본의 미즈사와, 이리키, 오가사와라, 이시가키에 위치한 전파 망원경이다. (ⓒ KASI, NAOJ)

[참고자료 4] 연구팀 및 논문

○ 연구 프로그램

본 연구의 해당 관측은 2016년 2월 한일공동 우주전파관측망의 대형 프로그램(KaVA Large Program) 으로 선정, 수행됐다 (연구책임자: 손봉원 박사 (한국천문연구원)와 키노 모토키 교수 (일본 코가쿠인대학, 일본국립천문대).

○ 논문

– 제목 : Spectral analysis of a parsec-scale jet in M87: Observational constraint on the magnetic field strengths in the jet

– 게재지 : Astrophysical & Astrophysics

게재일자 : 2023년 5월 24일

○ 연구팀 (맨 앞의 숫자는 저자순위; 괄호안은 논문 기재 소속기관)

1. 노현욱 (한국천문연구원)

2. Motoki Kino (일본 코가쿠인대학)

3. 손봉원 (한국천문연구원)

4. Kazuhiro Hada (일본 국립천문대)

5. 박종호 (한국천문연구원) 등 52명