주변 물질 삼키고 에너지 내뿜는 블랙홀 자기장 모습 첫 포착

2021.03.24 23:00

천문학자들이 지구에서 5500만광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광을 처음으로 관측하고 영상을 공개했다. 이 영상은 M87 은하 중심 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광돼 있는지 보여준다. 편광은 빛이 모든 방향으로 진행되는 게 아니라 한쪽으로만 진행되는 현상으로 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장이 영향을 주는 것으로 분석됐다. 이를 통해 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 만들어낸다. 아래쪽 나선형의 밝은 선들은 블랙홀 주변의 자기장과 연관된 편광의 방향을 직접 보여주고 있다. 한국천문연구원 제공.

한국 과학자들이 참여한 국제 연구진이 우주의 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이고 막대한 에너지를 방출하는 메커니즘을 설명할 현상을 관측을 통해 발견했다. 2019년 4월 블랙홀 영상이 처음 공개된 데 이어 블랙홀이 주변 물질을 어떻게 흡수하고 고에너지 물질인 ‘제트’를 내뿜는지 관측을 통해 근거를 확인한 건 처음이다.

한국을 포함해 미국, 유럽, 일본, 남미, 아프리카 등 전세계 연구기관 65개, 과학자 300명 이상이 참여하는 국제 공동 프로젝트 ‘사건지평선망원경(EHT)’ 연구팀은 지구에서 5500만 광년 떨어진 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀에서 강력한 자기장의 존재를 설명하는 ‘편광’ 현상을 처음으로 관측하고 이 영상을 국제학술지 천체물리학저널 회보에 24일 공개했다.

블랙홀은 사물을 끌어당기는 힘인 중력이 매우 강해 모든 물질을 빨아들이는 천체다. 빛까지 못 빠져나오기 때문에 인간의 눈으로는 볼 수도 없다. 블랙홀은 대부분 물질을 흡수하지만 일부 물질을 방출한다. 블랙홀의 강한 중력에 빨려들어가기 직전 방출되는 물질은 에너지를 양쪽 방향으로 강력하게 뿜어내는 ‘제트’를 생성한다.

편광은 특정 방향으로만 진동하며 진행하는 빛을 뜻하는데 이번에 블랙홀의 가장자리에서 발견된 편광은 블랙홀에 강력한 자기장이 존재한다는 근거로 쓰인다. 강력한 자기장의 영향으로 M87 은하 중심부의 블랙홀에 고에너지 물질의 흐름인 제트가 발생하는 것으로 설명된다.

EHT 이론연구그룹 연구책임자인 제이슨 덱스터 미국 콜로라도볼더대 교수는 “M87 은하 중심 블랙홀 주변의 뜨거운 가스 일부는 가장자리의 강한 자기장의 압력으로 블랙홀 중심의 강한 중력에너지를 이기고 밖으로 밀려 멀리 제트의 형태로 날아간다는 사실을 확인했다”고 밝혔다. 

빛을 포함하는 전자기파는 자기장과 전기장이 수직을 이룬 상태에서 진행한다. 특별한 방향성을 주지 않는다면 모든 방향으로 진행한다. 우주의 둥근 천체는 모든 방향으로 동일하게 빛을 발산하기 때문에 이를 관측하면 구 형태를 띤다는 사실을 알게 된다. 외부에서 강한 자기장이 영향을 주면 한쪽 방향으로만 정렬된 전자기파가 나오는데 이를 편광이라고 한다. 블랙홀 가장자리에서 처음으로 관측된 편광으로 강력한 자기장이 존재한다는 사실을 확인할 수 있고 자기장으로 인해 양쪽 방향으로 강한 에너지를 내뿜는 제트가 생성되는 셈이다. 

EHT 연구팀은 앞서 2019년 4월 10일  국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 “2017년 4월 남극, 안데스산맥 등 전 세계 8곳에 있는 전파망원경이 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 블랙홀을 동시에 관측해 그 모습을 처음으로 확인했다”고 발표했다.

이후 M87을 지속적으로 관측하고 분석한 결과 M87 블랙홀 주변의 빛에서 편광을 발견해 이번에 공개한 것이다. 조일제 한국천문연구원 전파천문본부 연구원은 “블랙홀을 직접 보고 연구를 할 수 있게 되면서 빛들이 블랙홀에 의해 어떤 영향을 받는지, 또 아인슈타인의 일반상대성 이론을 검증할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경으로 편광 관측한 결과를 비교한 영상이다. 맨 위부터 순서대로 HST(광학망원경), 칠레의 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA), 세계 각지의 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측하는 초장기선전파간섭계(VLBI), EHT연구팀이 관측한 M87 은하 중심부 관측 영상이다. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있다. 한국천문연구원 제공.

EHT는 스페인과 미국, 남극, 칠레 등 지구 전역에 흩어진 8대의 전파망원경을 하나의 큰 전파망원경처럼 구현했다. 지구상에서 멀리 떨어진 전파망원경으로 동시에 하나의 천체를 관측하면 마치 하나의 거대한 망원경으로 본 것처럼 해상도가 높아진다. 공개된 관측 영상은 각 전파망원경에 수신된 신호 데이터를 분석하고 이를 물리적으로 구현한 것이다. 마치 TV에 수신된 전파 신호를 영상으로 구현하는 것과 유사하다.

대만 타이페이 천체물리연구원의 박종호 연구원은 “EHT는 현재 새로운 관측소가 추가되고 있고 성능이 향상되고 있다”며 “향후 EHT 관측 연구로 블랙홀 주변의 자기장 구조를 더 정확하게 드러내고 블랙홀 주변 물질의 특성에 대해 더 많은 사실을 알려줄 것으로 기대한다”고 설명했다. 

EHT 한국 연구팀은 한국천문연구원이 일부 지분을 보유한 미국 하와이 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT)과 칠레의 아타카마 대형 밀리미터·서브밀리미터간섭계(ALMA)로 M87 중심 블랙홀 편광 관측 영상을 만드는 데 기여했다. EHT 연구팀에는 국내에서 한국천문연구원 등 총 10명의 한국 연구자도 참여하고 있다. 해외 기관에서 참여하는 한국인 연구자도 4명이다. EHT 한국연구팀을 이끌고 있는 손봉원 천문연 책임연구원은 “천문연이 보유하고 있는 한국우주전파관측망(KVN)을 활용한 관측을 수행하고 있다”고 말했다.