블랙홀 가장자리 고리의 강력한 자기장 포착 

M87 블랙홀 편광 관측 통해 물질을 빨아들이고 내뱉는 과정 밝혀

한국 비롯 전 세계 65개 기관 300명 이상의 연구자 참여 M87 중심부의 블랙홀 

이미지 최초 공개

EHT 국제 공동 연구팀이 공개한 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광 영상나선형의 밝은 선들은 M87 블랙홀 주변의 자기장과 연관되어 있는 편광의 방향을 보여준다.

블랙홀은 주변에서 물질을 끌어들이는 한편 막대한 에너지를 방출한다. 블랙홀로 유입된 물질의 일부는 방출되고 일부는 블랙홀 안으로 떨어진다고 알려져 있다. 블랙홀의 중력에 포획되기 직전에 빠져 나가는 물질은 에너지를 양쪽 방향을 강력하게 뿜어내는 제트의 형태로 우주로 멀리 날아간다. 하지만 블랙홀 주변의 물질 유입과 방출 기작이 무엇인지 그리고 M87 같은 거대 타원은하의 중심에서 어떻게 은하 크기보다 더 큰 제트가 발생할 수 있는지는 이제껏 밝혀지지 않았다.
최초의 블랙홀 영상을 공개한 EHT(Event Horizon Telescope) 국제 공동 연구팀은 M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 특정한 방향으로만 진동하며 나아가는 빛(전자기파)인  편광관측 영상을 공개했다.
천문학자들이 블랙홀의 가장자리에서 강한 자기장의 증거인 편광을 관측할 수 있었던 것은 이번이 처음이다. 이 관측은 5천 5백만 광년 떨어진 M87 은하가 중심부 핵에서 고에너지 제트를 어떻게 내뿜을 수 있지를 설명하는 중요한 열쇠이다.

한국을 비롯한 전 세계 65개 기관 300명 이상의 연구자들이 참여하는 EHT 연구팀은 지난 2019년 4월 10일 처녀자리은하단에 속한 M87 중심부의 블랙홀 이미지를 최초로 공개했다. 이는 중앙 영역이 어두운 밝은 고리 모양의 구조, 즉 블랙홀의 그림자를 보여주었다. 그 이후 연구팀은 M87에 대한 지속적인 관측과 분석을 수행한 결과, M87 블랙홀 주변의 빛이 상당 부분이 편광 되어 있다는 것을 발견했다. 

M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경(ALMA, VLBA, EHT)로 편광 관측한 결과를 비교한 영상맨 위에서부터 순서대로 HST(광학망원경), ALMA, VLBA 및 EHT가 관측한 M87 은하 중심부. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있고, 더 낮은 해상도에서는 블랙홀을 포함하여 주변의 제트의 이미지까지 얻을 수 있다.

편광 관측은 블랙홀 바로 바깥에서 물질의 유입량을 확인할 수 있는 하나의 방법이다. 이번 편광 관측 영상을 통해 M87 블랙홀의 가장자리 빛의 고리가 강하게 자기화 되어 있음을 명확하게 볼 수 있다. 연구팀은 이 편광 관측 영상을 분석한 결과, 블랙홀 주변에 예상보다 훨씬 강한 자기장이 존재함을 알아냈다. 자기장 구조를 통해 블랙홀 바로 바깥에서 물질의 유입과 방출이 일어나는 영역을 최초로 상세히 확인할 수 있다.

EHT 이론연구그룹 연구책임자인 미국 콜로라도 볼더 대학교(the University of Colorado, Boulder) 제이슨 덱스터(Jason Dexter) 교수는 “이번 영상을 통해 M87 블랙홀 주변부의 강력한 자기장이 어떻게 초대질량 블랙홀과 제트의 형성에 기여하는지에 대한 새로운 가설을 제시할 수 있다”며 “M87 블랙홀 주변의 뜨거운 가스 일부는 가장자리의 강한 자기장의 압력으로 블랙홀 중심의 강한 중력에너지를 이기고 밖으로 밀려 멀리 제트의 형태로 날아가고, 나머지 일부는 자기장에 끌려 사건의 지평선으로 나선운동하며 떨어진다”고 설명했다.

대만 타이페이 천체물리연구원(the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics) 박종호 박사는 "EHT는 현재 새로운 관측소가 망원경 네트워크에 추가되고 있고 관련 기술의 발전으로 인해 그 성능이 점점 더 향상되고 있다”며 “우리는 향후 EHT 관측이 블랙홀 주변의 자기장 구조를 더 정확하게 드러내고 블랙홀 주변 물질의 특성에 대해 더 많은 것을 알려줄 것을 기대한다”고 말했다.

EHT 한국 연구팀은 천문연이 일부 지분을 갖고 있는 하와이 소재 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT, James Clerk Maxwell Telescope)과 칠레의 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 간섭계(ALMA, Atacama Large Millimeter/submilimeter Array)로 M87 블랙홀 편광 관측 영상을 만드는 데 기여했다. EHT 한국 연구팀을 이끌고 있는 천문연 손봉원 박사는“우리는 EHT 연구의 일환으로 천문연이 보유하고 있는 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)을 활용해 M87 블랙홀 주변의 강착원반과 제트 등의 추가 관측을 수행하고 있다. 또한 KVN 기술을 활용할 차세대 EHT는 블랙홀 관측과 연구의 새로운 장을 열 것이다”고 말했다.

이번 연구 결과는 천체물리학 저널 회보(The Astrophysical Journal Letters) 3월 24일자에 두 편의 논문으로 게재됐다.

전 세계 8개의 망원경을 연결한 EHT

[참고 1] M87 편광관측 성과 관련 EHT 공식자료

○ EHT 공식 언론배포 문서

 - PDF 버전 링크: http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMMHL_eTecN_w~~.pdf

○ 메인 사진 링크

 - M87 은하 중심에 있는 초대질량블랙홀의 편광 영상: 이 영상은 M87 블랙홀 가장자리 영역이 어떻게 편광 되어 있는지 보여준다. 그림의 나선형의 밝은 선들은 M87 블랙홀 주변의 자기장과 연관되어 있는 편광의 방향을 보여준다.
  

⋅고용량 영상(8.8 MB): http://210.110.233.66:8081/api.link/3d_baLMMHLHeRecM_w~~.jpg

 - M87 은하 중심과 주변을 다양한 해상도의 전파망원경(ALMA, VLBA, EHT)로 편광 관측한 결과를 비교한 영상 : 맨 위에서부터 순서대로 HST(광학망원경), ALMA, VLBA 및 EHT가 관측한 M87 은하 중심부. 전파망원경의 해상도가 높을수록 블랙홀을 세밀하게 관측할 수 있고, 더 낮은 해상도에서는 블랙홀을 포함하여 주변의 제트의 이미지까지 얻을 수 있다.
  

□ 용어 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 연결하는 넓은 경계지대를 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 Shadow)이다. 블랙홀 주변의 원반에서 사건지평선 가까이에 다가간 물질은 빛의 속도에 가까운 매우 빠른 속도로 블랙홀 주변을 공전하며 블랙홀로 끌려 들어간다. 관측자에게는 이 회전하는 원반 중 관측자를 향하여 움직이는 모서리가 관측자에게서 멀어지는 모서리 보다 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.

○ 초대질량 블랙홀(Supermassive black hole)
질량이 태양 질량의 수십만 배에서 수십억 배에 이르는 가장 큰 유형의 블랙홀이다. 거의 대부분의 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 추정된다. 하지만 초대질량 블랙홀들은 상대적으로는 크기가 작은 천체에 속하기 때문에 지금까지 직접적으로 관측이 불가능했다. 블랙홀 그림자의 크기는 그 질량에 비례하기 때문에 무거운 블랙홀일수록 그 그림자도 더 커진다. M87의 블랙홀은 그 거대한 질량과 상대적으로 가까운 거리 덕분에 지구에서 볼 수 있는 가장 큰 블랙홀들의 그림자 중 하나로 예측됐고, 따라서 EHT의 완벽한 관측 대상이 됐다.

○ 초장기선 전파간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometry)
거대한 영역을 관측하기 위해서는 대형 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. 여러 대의 전파망원경이 멀리 떨어져 있을수록 전파 신호를 더 증폭할 수 있고 그래서 더 높은 해상도를 얻을 수 있기 때문이다. 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. 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.

○ 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 맺고 있다.

○ 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT, James Clerk Maxwell Telescope)
JCMT는 해발 4000m의 하와이 마우나케아 정상에 설치되어 있는 15 m 직경의 현존하는 가장 큰 서브밀리미터 단일경 전파망원경임으로서 우리은하 내의 분자운, 외부은하, 우주론 등을 연구하는 데에 활용되고 있다. 천문연을 포함하여 대만 ASIAA, 중국 NAOC, 일본 NAOJ 4개 기관이 참여하고 있는 동아시아천문대(EAO, East Asian Observatory)는 2015년 3월부터 하와이 마우나케아 산에 있는 James Clerk Maxwell Telescope(JCMT)를 운영하고 있다.

□논문 및 연구팀
○ 논문 1
- 게재지: The Astrophysical Journal Letters
- 제목: First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring
- 게재일자 : 2021년 3월 24일

○ 논문 2
- 게재지: The Astrophysical Journal Letters
- 제목: First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon
- 게재일자: 2021년 3월 24일

○ EHT 국제 공동 연구팀
- 아프리카, 아시아, 유럽, 북미와 남미로부터 모인 300명이 넘는 연구자

- 한국 참여자(총 10명): 김재영(한국천문연구원 선임연구원), 김종수(한국천문연구원 책임연구원․UST 교수), 변도영(한국천문연구원 책임연구원․UST 교수), 손봉원(한국천문연구원 책임연구원․UST 교수), 오정환(한국천문연구원 박사후연수원), 이상성(한국천문연구원 책임연구원․UST 교수), 정태현(한국천문연구원 선임연구원․UST 교수), 조일제(한국천문연구원․UST 박사), Xiaopeng Cheng(한국천문연구원․KRF 박사후연구원), Sascha Trippe (서울대 물리천문학부 교수)

- 한국 참여기관(총 4개): 천문연, UST, 서울대, 연세대

- 외국기관에서 참여하고 있는 한국인 연구자(총 4명): 김동진 연구원 (독일 막스플랑크 전파천문연구소), 김준한 박사 (미국 애리조나대학교), 박종호 박사(대만 타이페이 천체물리연구원), 윤두수 박사 (네덜란드 암스테르담 대학교)

- 참여 망원경: ALMA, APEX, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the James Clerk Maxwell Telescope(JCMT), the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), the Submillimeter Array(SMA), the Submillimeter Telescope(SMT), the South Pole Telescope(SPT), the Kitt Peak Telescope, and the Greenland Telescope(GLT)

- EHT 컨소시엄(총 13개): the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, the University of Arizona, the University of Chicago, the East Asian Observatory, Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University, the Smithsonian Astrophysical Observatory

한국천문연구원 홍보실 제공