사상 최초로 우리은하 중심에 위치한 블랙홀 포착 – KS News

사상 최초로 우리은하 중심에 위치한 블랙홀 포착 

– EHT 연구진, 이번엔 우리은하 중심 초대질량 블랙홀 관측 –

– 전 세계 8개 전파망원경 연결…한국도 KVN 등으로 참여 –

■  한국천문연구원(원장 박영득)이 참여한 EHT* 국제 공동 연구진은 우리은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀 궁수자리(Sgr A*) 영상을 포착하여 5월 12일 22시 07분 공개했다. 연구진은 전 세계 협력에 기반한 8개의 전파망원경을 연결한 사건지평선망원경(이하 EHT, Event Horizon Telescope)으로 블랙홀 관측에 성공했다고 밝혔다. 

  ※ EHT(사건지평선망원경, Event Horizon Telescope) : 전 세계에 산재한 전파망원경을 연결해 지구 크기의 가상 망원경을 만들어 블랙홀의 영상을 포착하려는 국제협력 프로젝트이자 이 가상 망원경의 이름. 사건지평선이란 블랙홀 안팎을 연결하는 지대를 뜻한다.

□ 궁수자리 A 블랙홀은 M87에 이어 EHT 팀이 촬영한 두 번째 블랙홀이다. 우리은하 중심에 위치한 궁수자리 A 블랙홀은 지구로부터 약 2만 7천 광년 떨어져 있으며, 질량이 태양보다 약 400만 배 크다. 태양계로부터의 거리가 M87 블랙홀과 비교하여 2,000분의 1 정도로 가까워 블랙홀 연구의 유력한 대상이다. 그러나 M87에 비해 1,500배 이상 질량이 작아, 블랙홀 주변의 가스 흐름이 급격히 변하고, 영상이 심한 산란 효과를 겪어 M87에 비해 관측이 어려웠다.

□ 이 연구를 위해 세계 80개 기관, 300명이 넘는 EHT 연구진들이 참여했다. 특히 대규모 블랙홀 관측자료를 처리하기 위해 슈퍼컴퓨터를 활용해 데이터를 분석하는 동시에 블랙홀에 대한 다량의 영상을 재현해 이를 비교하는 모의실험을 5년간 끊임없이 진행했다. 관측자료 보정과 영상화 작업 끝에 연구진은 고리 형태의 구조와 중심부의 어두운 지역인 블랙홀의 그림자를 발견했다.

□ 후속 연구로 EHT 연구진은 초대질량 블랙홀 주변의 부착흐름을 분석하는 이론을 세우기 시작했다. 이를 통해 은하의 형성과 진화 과정을 밝힐 수 있을 것이며, 추가적인 연구를 통해 일반상대성이론의 정밀한 검증 등 새로운 결과들이 쏟아져 나올 것으로 전망한다. 

□ 이번 발표에 대해 EHT의 주요 인사는 다음과 같이 언급했다.

  ㅇ EHT 과학이사회(EHT Science Council)의 공동 위원장인 세라 마르코프(Sera Markoff)는 “궁수자리 A 블랙홀과 M87 블랙홀은 매우 유사한 모양을 보이는데, 이는 아인슈타인의 일반상대성 이론에 의한 것”이라 언급했다.

  ㅇ 대만중앙과학원 천체물리연구원(Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics)의 케이치 아사다(Keiichi Asada)는 “이번 연구를 통해 초대질량 블랙홀 중 가장 큰 편인 M87 블랙홀과 가장 작은 편인 궁수자리 A 블랙홀 영상을 비교·분석하여 중력이 극단적으로 다른 상황에서 어떻게 작용하는지 어느 때보다 더 자세히 테스트할 수 있을 것”이라 말했다.

□ 한국천문연구원 한국우주전파관측망(KVN) 3기는 EHT 다파장 캠페인에 참여해 궁수자리 A 블랙홀의 구조가 원형에 가까움을 확인했으며, 이로부터 블랙홀의 부착원반면이 지구 방향으로 향하고 있음을 제시했다. 또한 한국천문연구원 소속 등 국내 연구자와 해외 거주 한국인 연구자들은 EHT 주요 망원경인 칠레의 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(ALMA)와 하와이의 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT) 운영에 참여해 이번 연구의 관측, 자료처리, 영상화에 이르는 다양한 과정을 수행했다. 

□  본 연구에 참여한 한국천문연구원 손봉원 박사는 “궁수자리 A 블랙홀은 집단지성으로 인류가 직접 관측한 블랙홀 중에 가장 가까운 블랙홀”이며“한국천문연구원은 공동으로 운영하는 ALMA 및 JCMT 망원경 참여를 넘어 KVN이 EHT에 직접 참여할 수 있도록 준비하고 있다”고 밝혔다. 

□ 궁수자리 A 블랙홀의 영상화 과정에 참여한 조일제 박사(스페인 안달루시아 천체물리연구소)는 “이번 영상은 빠르게 변화하는 블랙홀의 그림자를 포착하여, 천체가 정적이라고 가정하고 촬영하는 기존 전파간섭계 영상화 과정의 한계를 극복했다는 점에서도 큰 의미가 있다”고 강조했으며, “이를 바탕으로 머지않아 블랙홀로 물질이 빨려 들어가는 과정도 직접 관측할 수 있을 것”이라 기대했다.

□ 기존 M87과 이번 궁수자리 A 블랙홀 연구에 참여한 김재영 교수(경북대학교)는 “이전 M87 블랙홀과 비교해 궁수자리 A 블랙홀은 제트와 같은 강력한 물질 분출 현상이 없는 블랙홀로, 이 두 블랙홀의 EHT 영상을 함께 연구함으로써 현대 천체물리학의 가장 큰 난제들 중 하나인 블랙홀 제트의 물리적인 기원을 이해할 수 있을 것”이라고 언급했다.

[문의]

한국천문연구원 전파천문본부 손봉원 책임연구원 (Tel: 042-865-2173)

한국천문연구원 전파천문본부 변도영 책임연구원 (Tel: 042-865-2172)

[참고자료 1] 그림 및 참고영상

그림 1. 궁수자리 A 블랙홀 이미지.

중심의 검은 부분은 블랙홀(사건의 지평선)과 블랙홀을 포함하는 그림자이고, 고리의 빛나는 부분은 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이다.

(출처: © EHT)

영상 1. 궁수자리 A 블랙홀 애니메이션

유튜브 링크: https://www.youtube.com/watch?v=ZObVUBUdL5Y

다운로드 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIPHL_eQeQC_w~~.mp4

(출처: © EHT)

그림 2. 네 그룹으로 나눈 궁수자리 A 블랙홀 이미지.

연구진들은 사건지평선망원경을 구성한 8기의 전파 망원경으로 얻은 데이터를 사용하여 궁수자리 A의 수천 개의 영상을 만들었다. 이 영상들을 모두 합쳐 상단에 제시한 대표 영상을 제작했다. 그리고 각각의 영상은 형태적 유사성에 기반하여 4개의 그룹으로 나누었다. 좌측의 3개의 그룹은 링 구조를 보여주지만 링 주변의 밝기가 서로 다르다. 네 번째 그룹에는 데이터와는 맞지만, 링 구조를 보이지 않는 영상들로 구성됐다. 각 영상 하단의 막대그래프는 각 그룹에 속한 영상의 상대적인 비율을 의미한다. 처음 세 그룹에는 수천 개의 영상이 담겨있지만, 네 번째이자 가장 작은 그룹에는 수백 개의 영상만이 들어있다. 이는 링 구조의 가진 영상이 최종 대표 영상에서 네 번째 그룹의 영상보다 높은 가중치를 가짐을 의미한다. 연구진은 상대적인 가중치에 따라 이 4개의 그룹의 영상을 가중 평균하여 상단 패널의 최종 영상을 얻었다.

(출처: © EHT)

‘블랙홀’이라 하면 검은 구멍을 떠올린다. 블랙홀을 직접 본 사람은 없고 블랙홀을 직접 볼 수도 없다. 블랙홀은 빛조차 흡수해 버려 직접 관측할 수 없기 때문이다. 우리가 영상이나 논문에서 봤던 블랙홀의 이미지는 모두 이론을 바탕으로 만들어진 상상에 불과하다. 

‘이벤트 호라이즌 망원경(EHT)’은 번역하면 ‘사건지평선망원경’으로, ‘사건지평선’이란 블랙홀의 안과 밖을 나누는 넓은 경계지선을 뜻한다. 어떤 물질이 사건지평선을 지나 블랙홀로 빨려 들어갈 때 그 일부는 에너지로 방출되기에 높은 해상도의 관측 장비를 동원한다면 사건지평선의 가장자리를 볼 수 있다는 것이다. 사건지평선 부근은 강한 중력 효과에 의한 현상이 발생한다. 대표적인 것이 블랙홀의 그림자(Black Hole Shadow)이다. 블랙홀 주변의 원반에서 사건지평선 가까이에 다가간 물질은 빛의 속도에 가까운 매우 빠른 속도로 블랙홀 주변을 공전하며 블랙홀로 끌려 들어간다. 이때 발생하는 마찰이 유발한 강력한 빛이 원반을 밝게 빛나게 하는데, 이 원반의 모양은 블랙홀의 중력에 의해 왜곡되고 구부러져 보이게 된다(예: 영화 ‘인터스텔라’의 블랙홀). 또한, 관측자에게는 이 회전하는 원반 중 관측자를 향하여 움직이는 모서리가 관측자에게서 멀어지는 모서리보다 밝게 보이게 된다. 이렇게 블랙홀 주변의 극단적인 환경에서 발생하는 현상에 대한 관측은 일반 상대성 이론과 초대질량 블랙홀의 이해에 대한 강력한 증거가 된다. 해당 관측을 위해선 거대 관측 장비가 필요하다. 이에 지구촌 전파천문학자들은 전파망원경 8개를 하나로 연동해 지구 크기의 거대 망원경처럼 활용했다. 2018년 이후로 EHT 관측망에 추가로 참가하는 망원경이 더해져, 2020년에는 총 11대까지 수가 늘어났다.

출처: ©EHT

– 초대질량 블랙홀(Supermassive black hole)

질량이 태양 질량의 수백 배에서 수십억 배 이상에 이르는 가장 큰 유형의 블랙홀이다. 거의 대부분의 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 추정된다. 하지만 초대질량 블랙홀들은 은하와 비교하면 상대적으로는 크기가 작은 천체에 속하기 때문에 지금까지 직접적으로 관측이 불가능했다. 블랙홀의 사건지평선과 그림자의 크기는 그 질량에 비례하기 때문에 무거운 블랙홀일수록 그 그림자도 더 커진다. 

– 초장기선 전파간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometry) 

초미세구조를 관측하기 위해서는 여러 전파망원경을 하나로 연동해야만 한다. 세계 각지의 최첨단 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측해 분해능(떨어져 있는 두 물체를 구별하는 능력)을 높이는 초장기선 전파간섭계 기술을 활용한다. 수백~수천 킬로미터 떨어진 여러 대의 전파망원경으로 동시에 같은 천체를 관측하여 전파망원경 사이의 거리에 해당하는 구경을 가진 거대한 가상의 망원경을 구현하는 방법이다. 간섭계를 구성하기 위해 동원한 전파망원경의 수가 많을수록, 그들 사이의 거리와 방향이 다양할수록 간섭계의 영상 복원능력이 향상된다. 8개 전파망원경이 각자 전파 신호를 포착하고 이 신호들을 한데 모아 ‘가상의 망원경 초점’에서 종합하면 사실상 지구만한 전파망원경의 효과를 낼 수 있다. 

– 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)

 한국천문연구원이 운영하는 KVN은 서울 연세대, 울산 울산대, 제주 중문에 설치된 21m 전파망원경 3기로 구성된 VLBI 관측망이다. 각 망원경의 거리는 305km~478km로, 세계에서 유일하게 밀리미터 영역의 4개 주파수 전파를 동시에 관측할 수 있다. KVN은 3기를 연결한 간섭계뿐만 아니라 각각의 단일 망원경으로도 사용할 수 있다. 평창에 네 번째 전파망원경이 구축될 예정이다. 동아시아우주전파관측망(EAVN, East Asian VLBI Network)은 한국의 VLBI 관측망인 KVN, 일본의 VERA, 중국의 CVN 등 3개국 21개 망원경을 연결한 최대 5000km 정도의 거대 관측망이다. 

KVN 사진 및 영상:

KVN 울산전파천문대 사진

KVN 울산전파천문대 영상:

http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIKHrzeR-UO-w~~.mp4

KVN 연세전파천문대 영상:

http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIKHr3eROQO-w~~.mp4

KVN 탐라전파천문대 영상:

http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIKHr_eR-IO-w~~.mp4

– ALMA(아타카마 대형 밀리미터/서브밀리파 간섭계, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)

칠레 아타카마 사막에 건설해 운영하고 있는 국제적 천문관측장비로, 유럽남방천문대(ESO), 미국국립과학재단(NSF), 일본국립자연과학연구소(NINS), 캐나다국립연구회, 대만과학기술부(MOST), 대만중앙연구원(ASIAA) 그리고 한국천문연구원(KASI)과 협약을 맺어 운영하고 있다. 

출처: Pablo Carrillo – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

ALMA 관련 영상: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIPHrneROYK_w~~.mp4

출처: NSF AUI NRAO (편집: Vectorial films)

– 8개의 전파망원경 소개

앞서 언급한 ALMA 외에 아타카마 패스파인더(APEX)는 ESO에 의해 운영되고, IRAM 30미터 망원경은 독일의 MPG, 프랑스의 CNRS 그리고 스페인의 IGN에 의해 공동 운영된다. 그리고 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT)은 EAO, 거대 밀리미터 망원경(LMT)은 INAOE와 UMass, 서브밀리미터 집합체(SMA)는 SAO와 ASIAA 그리고 서브밀리미터 망원경(SMT)은 애리조나 전파천문대(ARO)가 운영한다. 남극 아문센-스코트 기지에 위치한 남극 망원경은 애리조나 대학교가 EHT를 위해 개발한 기기가 설치되어 있으며, 시카고 대학교 등 10여개 기관이 공동으로 운영하고 있다. 

비록 망원경들이 물리적으로 직접 연결된 것은 아니지만, 각 망원경에 기록된 자료들을 원자 시계(수소 메이저)를 통해 매우 정밀하게 동기화할 수 있다. EHT의 각 망원경은 하루에 약 350테라바이트에 달하는 거대한 양의 자료들을 고성능 헬륨 충전 하드 드라이브에 저장했다. 이 자료들은 차후 영상으로 결합될 수 있도록 막스플랑크 전파천문학연구소와 MIT 헤이스택 관측소에 위치한 상관기라고 불리는 전문화된 슈퍼컴퓨터들로 전송됐다.

JCMT 사진:

출처: William Montgomerie – EAO/JCMT

JCMT 영상: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLIPHrjeReYO_Q~~.mp4

William Montgomerie, EAO/JCMT

– 일반상대성 이론과 EHT

1915년 알버트 아인슈타인은 일반상대성이론을 발표했다. 어떤 물체가 존재하면 그 주변 시공간은 그 물체의 질량에 영향을 받아 휘어지게 되는데 질량이 크면 클수록 주변 시공간이 더 많이 휘어져 더 큰 곡률을 갖게 된다는 것이다. 지금으로부터 100년 전인 1919년, 영국의 천문학자 에딩턴과 두 탐험대가 1919년 개기일식을 관측하기 위해 아프리카 해안의 프린시페섬과 브라질의 소브랄로 원정을 떠났다. 에딩턴은 개기일식 때 태양 주변 빛이 1.61초 휘는 것을 관측했고, 이로써 일반상대성이론을 검증할 수 있었다. 이와 비슷하게 EHT는 우리의 중력에 대한 이해를 다시 한 번 검증하기 위해 팀의 구성원들을 세계 각지의 가장 높고 고립된 전파 시설들로 보냈다. 

– 부착흐름(Accretion flow)과 제트 

큰 블랙홀은 혼자서 거의 빛을 내지 않는다. 블랙홀은 근처의 기체들을 중력으로 끌어들이는 부착으로 빛을 내게 된다. 조금이라도 회전하고 있는 기체들은 부착되면서 회전이 빨라져서 부착원반을 형성하게 된다. 마찬가지로 궁수자리 A 블랙홀의 그림자 영상 또한 블랙홀 자체가 아니라 블랙홀에 부착되면서 빛을 방출하는 기체들에 의해 만들어진 것이다. 다만 궁수자리 A 블랙홀의 광도는 활동성 은하핵이나 퀘이사에 비해 매우 약해서 많은 빛 에너지를 방출하는 얇은 부착원반보다는 빛의 방출이 적은 이류부착흐름 (advection-dominated accretion flow) 등의 모형으로 설명된다.

제트는 기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름을 말하는데, 노즐 같은 구조를 통과하며 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 방출되어 만들어진다. 블랙홀 주변의 강력한 자기장과 부착흐름/부착원반(또는 여기서 나오는 방출류)이 노즐 역할을 해서 강력한 제트 방출 현상이 발생한다.

[참고자료 3] 논문 및 연구진

1. 논문

논문 링크: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

2. EHT 공동 연구진

– 아프리카, 아시아, 유럽, 북미와 남미로부터 모인 300명이 넘는 연구자들이 소속되어 있음. 

– 국내 참여자 총 9명: 김재영(경북대), 김종수(천문연/UST), 변도영(천문연/UST), 손봉원(천문연), 오정환(세종대), 이상성(천문연/UST), 정태현(천문연/UST), Xiaopeng Cheng(천문연), Sascha Trippe(서울대)

– 한국 참여기관 총 6곳: 한국천문연구원, UST, 경북대학교, 서울대학교, 세종대학교, 연세대학교 

– 외국기관에서 참여하고 있는 한국인 연구자: 김동진(독일 막스플랑크 전파천문학연구소), 김준한 (미국 칼텍 물리학과), 박종호(대만 중앙과학원 천문학과 천체물리학연구소), 윤두수(네덜란드 암스테르담대학 천문학연구소), 조일제(스페인 안달루시아 천체물리학연구소)

– 참여 망원경: 전세계 6개 지역의 8기 망원경이 이 관측에 참여하였다. 칠레의 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 어레이 (ALMA)와 아타카마 패스파인더 (APEX), 멕시코의 라지 밀리미터 망원경 (LMT), 하와이의 제임스 클라크 맥스웰 망원경 (JCMT)와 서브밀리미터 어레이 (SMA), 스페인의 밀리미터 전파천문학연구소 30미터 망원경 (PV), 애리조나의 서브밀리미터 망원경 (SMT), 남극의 남극 망원경 (SPT) 이 그 8기의 망원경이다.

-EHT 컨소시엄: 한국천문연구원이 참여 중인 동아시아천문대(EAO) 등 전세계 14개 기관이 이사회를 구성하고 있으며, EHT를 총괄관리하는 매니지먼트팀과 과학위원회, 그리고 여러 워킹그룹이 관측과 자료처리, 분석, 자료 활용 등 운영과 연구를 맡고 있다.