M87 블랙홀, 팽이처럼 흔들리며 회전한다

– 23년 관측 통해 제트의 11년 주기 세차운동 관측 성공

– 한중일 참여한 동아시아 우주전파관측망 주도

■ 한국천문연구원(원장 박영득)을 포함한 국제 공동 연구팀이 블랙홀 제트의 세차운동이 11년 주기로 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 이 연구는 과학 저널 네이처(Nature)에 한국 시각 9월 28일 0시에 발표됐다.

M87 블랙홀, 팽이처럼 흔들리며 회전한다 – KS News

그림 1. 세차운동하는 블랙홀을 설명하는 이미지. (©Yuzhu Cui et al. 2023, Zhejiang Lab)

□ 전 세계 45개 기관, 79명의 연구원이 참여한 국제 공동 연구팀은 2000년부터 2022년까지 동아시아우주전파관측망(이하 EAVN, East Asian VLBI Network), 초장기선 어레이(이하 VLBA, Very Long Baseline Array), 한일공동 우주전파관측망(이하 KaVA, KVN and VERA Array), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(이하 EATING, East Asia To Italy: Nearly Global)으로 얻은 관측 자료를 분석해 M87 초대질량블랙홀 제트*의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견했다.

※ 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.

□ 초대질량블랙홀의 제트 방출 메커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 빠르게 회전하는 블랙홀에서 발생한 에너지 중 일부가 제트로 방출된다는 주장이다. 그러나 이 과정에서 가장 중요한 요소인 초대질량블랙홀의 회전은 지금까지 직접 관측된 적이 없었다.

□ 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 지난 23년간 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(이하 VLBI, Very Long Baseline Interferometry) 데이터를 분석했고 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 연구를 수행했다. 그 결과, 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동*이 발생하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 세차운동의 존재는 M87 블랙홀이 실제로 회전하고 있다는 분명한 증거다.

※ 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다.

□ 이번 연구에서 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(이하 KVN, Korea VLBI Network)은 동아시아우주전파관측망의 일원으로 대부분의 관측에 참여했으며 세종시의 22m 전파망원경도 일부 관측에 참여했다. 또한 한국천문연구원의 한일공동상관센터(이하 KJCC, Korea-Japan Correlation Center)는 연구에 사용된 총 170회의 관측 데이터 중 123개의 데이터를 상관처리했다. VLBI 관측에서 상관처리는 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파자료를 한곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정으로, 이 단계를 거쳐야만 연구에 사용하는 영상 데이터를 최종적으로 얻을 수 있다.

□ 이 연구의 한국측 책임자인 한국천문연구원의 노현욱 박사후연구원은 “우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체에 대해 오랜시간 지속적으로 관측할 수 있었으며, 이것이 이우리 연구의 가장 큰 장점이다. 앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상들이 발견되기를 기대한다.”라고 설명했다.

□ EAVN AGN 워킹그룹의 리더인 손봉원 책임연구원은 “Kerr(커) 블랙홀이라고도 하는 회전하는 블랙홀 고유의 중력효과인 틀 끌림 현상(Frame dragging)를 독자적으로 입증한 이번 연구는 한국과 동아시아 연구진과 연구시설의 능력을 입증한 쾌거”라고 밝혔다.

※ 틀 끌림 현상: 블랙홀처럼 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 중력효과 발생하여 주변 시공간도 블랙홀의 회전을 따라 회전하는데, 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 틀 끌림(frame-dragging) 현상이다.

□ 한편 이번 연구의 주요 저자들은 다음과 같이 언급했다.

ㅇ 저장연구소의 박사후연구원이자 논문의 제1 저자인 추이 유주(Yuzhu Cui) 박사는 “블랙홀과 부착원반 회전축이 어긋난 정도가 비교적 작고 세차운동 주기가 길기 때문에, 장기간에 걸친 고해상도 데이터의 분석으로 이러한 성과를 이룰 수 있어 기쁘다”고 소감을 밝혔다.

ㅇ 제2 저자인 일본국립천문대(National Astronomical Observatory of Japan)의 하다 카즈히로(Kazuhiro Hada) 박사는 “M87 블랙홀이 회전하는지 여부는 천문학자들 사이에서 주요 관심사 중 하나였다. 이번 연구를 통해 블랙홀이 실제로 회전하고 있음을 증명했다.”고 언급했다.

□ 본 연구에는 총 79명의 연구자들이 참여했으며, 국내에서는 한국천문연구원의 노현욱 박사, 손봉원 책임연구원, 서울대학교의 이건우 연구원, 경희대학교 박종호 교수 등 총 23명의 연구자가 관측 제안 및 스케쥴, 관측 결과의 영상처리 및 분석과 같은 연구의 전반적인 과정에 기여했다. (보도자료 끝. 참고자료 있음.)

[참고자료 1] 그림 및 참고 영상

그림 1. 세차운동 중인 기울어진 부착원반 모델을 설명하는 이미지. 중심부 블랙홀의 회전축은 그림의 수직 방향으로 고정되어 있다고 가정.

제트의 방향은 부착원반과 거의 수직을 이룬다. 블랙홀과 부착원반 사이의 회전축이 나란하지 않은 경우 부착원반과 제트의 세차운동이 일어난다. (©Yuzhu Cui et al. 2023)

그림 2. 세차운동 중인 기울어진 부착원반 모델을 설명하는 동영상 이미지(©Yuzhu Cui et al. 2023)

다운로드 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLoJGrrJWu8I98Y~.mp4

그림 3. M87 제트 세차운동 이미지와 각도 변화 이미지

상단 이미지: 2013년부터 2018년까지 매 2년간의 관측을 통해 보이는 M87 제트의 세차운동. 흰색 화살표는 제트의 방출 각도를 나타낸다.

하단 이미지: 2000년부터 2022년까지 연도별 이미지를 기반으로 나타낸 제트의 방출 각도 변화 그래프. 파란색 및 녹색 점은 관측에서 얻은 점이며, 빨간색 선은 세차운동 모델을 관측에 적용하여 얻은 그래프다. (Yuzhu Cui et al.2023, Zhejian Lab)

그림 4. M87 제트 세차운동 이미지와 각도 변화 동영상 이미지(© uzhu Cui et al. 2023)

다운로드 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLoJGrrIWuAL-sc~.mp4

[참고 2] M87 블랙홀 연구 관련 주요 내용

[참고자료 2] M87 블랙홀 연구 관련 주요 내용


사상 최초 M87 블랙홀 관측	M87 블랙홀 편광 영상 획득
2019년 4월 공개	2021년 3월 공개
보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/11770	보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/28712

M87 다파장 동시 관측	M87 그림자와 제트 동시 포착
2021년 4월 공개	2023년 4월 공개
보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/28738	보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/29492

M87 블랙홀 제트의 자기장 강도
2023년 8월 공개
보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/29699

[참고 3] 용어 및 관측시설 설명

– EHT 프로젝트

‘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.

– 초대질량 블랙홀(Supermassive black hole)

활동성 은하의 중심에 있는 초대질량블랙홀은 우주에서 발견되는 가장 강력한 천체중 하나이며, 엄청난 크기의 중력으로 인해 많은 양의 물질을 빨아들이고, 그 과정에서 플라즈마 제트를 광속에 가까운 속도로 분출하여 수천 광년 떨어진 곳까지 뿜어낼 수 있다. 대부분의 은하 중심에 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 추정된다.

– 틀 끌림 현상(프레임 드레깅, Frame-dragging)과 세차운동

블랙홀처럼 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 중력효과에 의하여 주변 시공간도 블랙홀을 따라 회전하는데, 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 “틀 끌림 (frame-dragging)”현상이다. 이때 만일 블랙홀 주변의 강착 원반의 회전축이 블랙홀 회전축과 나란하지 않은 경우, 기울어진 원반의 전체 구조가 블랙홀 회전을 따라 “끌려가며” 방향을 계속 바꾸며 세차운동을 한다 (이를 이론적으로 예측한 과학자의 이름을 따서 렌제-티링 (Lense-Thirring) 세차운동이라고도 한다). 이는 결과적으로 강착원반에 수직한 방향으로 방출하는 제트의 세차운동을 일으킨다 (그림 1 및 동영상 참조).

– 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 구축되었으며 2024년 초기 관측에 나설 예정이다.

– 동아시아우주전파관측망 (EAVN, East Asian VLBI Network)

동아시아우주전파관측망 (EAVN, East Asian VLBI Network)은 한국, 일본, 중국의 총 16개의 망원경을 연결한 최대 기선 5000km 정도의 거대 VLBI 관측망이다. 이번 연구에서는 총 13개의 EAVN 안테나가 참여하였으며, 그 중 한국에서는 3기의 한국우주전파관측망(KVN) 및 세종시 우주측지관측센터의 22m 전파망원경이 참여하였다. 한국천문연구원은 EAVN을 운영하는 4개국(한국, 중국, 일본, 태국)의 7개 기관(KASI, NAOJ, SHAO, XAO, YNAO, NGII, NARIT) 중 운영에 가장 큰 기여를 하고 있는 기관으로, EAVN의 관측제안서 접수, 관측 스케쥴링, 데이터 상관처리, 자료 아카이브관리 등을 담당하고 있고, EAVN의 관측 전반을 관리하는 웹페이지를 운영하고있다 (EAVN 웹페이지, https://radio.kasi.re.kr/eavn/main.php).

그림 6. 관측에 참여한 동아시아우주전파관측망의 전파망원경.

총 13기이며 한국의 KVN(연세, 울산, 탐라) 과 세종, 일본의 VERA(미즈사와, 이리키, 오가사와라, 이시가키지마)와 히타치, 노베야마, 타카하기, 중국의 CVN(난샨, 티얀마)으로 구성되어 있다.

– EAVN 활동성은하핵 과학연구그룹 (EAVN AGN Science Working Group)

그림 7. 이번 연구에 참여한 EAVN AGN Science Working Group 사진. 2019년 일본 이바라키 대학교에서 열린 East Asia VLBI Workshop 중 촬영

– 동아시아-이탈리아 우주전파관측망 (EATING, East Asia To Italy: Nearly Global VLBI)

그림 8. 관측에 참여한 동아시아-이탈리아 우주전파관측망. 기존 동아시아우주전파관측망의 13기에 더하여 이탈리아 전파망원경 3기 (메디치나, 사르디나, 노토)와 러시아 전파망원경 1기 (바다리)가 참여하여 총 16기의 전파망원경으로 최장 기선 10,000km에 육박하는 긴 기선의 고해상도 관측이 가능하다.

– 한일상관센터(Korea-Japan Correlation Center, KJCC)

한일상관센터는 대전 한국천문연구원에 위치한 상관처리 시설로, 한국천문연구원과 일본국립천문대가 공동개발한 대전 하드웨어 상관기 및 DiFX 소프트웨어 상관기를 운영하고 있다. 이번 연구에 사용된 관측 자료 중 KaVA, EAVN, 및 EATING VLBI로 관측한 123개 관측 자료를 한일상관센터의 대전 하드웨어 상관기로 상관처리 하였다. 이는 최대 16개 전파망원경으로부터 초당 1기가비트의 속도로 기록된 전파자료를 동시에 상관처리할 수 있는 상관기이다.

상관처리란 각 전파망원경에서 관측하여 보내온 전파데이터로부터 모든 조합의 망원경에 대해 간섭무늬를 계산하여 연구에 활용할 수 있는 데이터를 확보하는 일련의 과정을 말한다. 이 상관처리 결과를 종합하면 관측대상 천체의 상세한 영상을 얻을 수 있다.

그림 9. 이번 연구에 사용된 대부분의 관측 자료를 상관처리한 한일상관센터

그림 10. EAVN 망원경으로 관측한 전파자료를 상관처리 중인 대전 상관기

[참고 4] 연구팀 및 논문

○ 연구 프로그램

본 연구는 2000년부터 2022까지 총 170개의 VLBA 및, EAVN, KaVA, EATING VLBI의 관측 자료를 활용하였다. 이 중 2006년부터 2018년까지 47개의 VLBA 자료는 아카이브에 있는 기존 관측 자료를 활용하였으며, 2013년 하반기부터 2022년까지 119개 관측자료는 EAVN AGN 과학연구그룹의 주도로 KaVA 및 EAVN로 관측하여 얻은 것이다. 그 중 2016년부터 2019년 상반기까지의 관측은 KaVA 및 EAVN의 대형 프로그램 (Large Program)에 선정되어 관측이 수행되었다. 연구팀은 2023년 현재에도 지속적으로 EAVN을 활용하여 M87의 관측을 수행중이다 (연구책임자: 노현욱 (한국천문연구원), 추이 유주 (저장연구소)). 또한 2019년부터 현재까지 이탈리아, 러시아, 호주 망원경이 EAVN 관측에 참여하는 EATING VLBI (연구책임자: 노현욱 (한국천문연구원), 이건우 (서울대학교), 하다 카즈히로 (일본국립천문대)) 관측을 수행중이며, 4개의 EATING VLBI 자료가 본 연구에 사용되었다. 향후 이를 활용하여 11년 주기의 세차운동의 특성을 보다 명확히 확인하는 한편, 또 다른 주기를 갖는 진동운동이 존재하는지의 여부를 살펴보려는 목적이 있다.

○ 논문

– 제목 : Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87

– 게재지 : Nature

– 게재일자 : 2023년 9월 27일 (세계표준시간), 9월 28일 (한국시간)

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