이번엔 M87 블랙홀의 그림자와 제트 최초로 동시 포착

- 사상 최초로‘부착원반’도 관측

- 기존 EHT 블랙홀 영상서 확인할 수 없었던 물리 현상 규명

그림 1. GMVA+ALMA로 관측한 M87 블랙홀.

블랙홀의 부착원반 구조(좌측 확대 이미지)와 함께 블랙홀로부터 분출되는 제트를 확인할 수 있다. ©Nature

■ 한국천문연구원(원장 박영득)이 참여한 국제공동연구진이 M87 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자와 강력한 제트를 최초로 동시에 포착했다. 더불어 사상 최초로 M87 블랙홀의 부착원반의 모습도 확인해, 해당 연구결과가 과학저널 네이처(Nature)에 한국 시각으로 4월 27일(영국 시각으로는 26일 16시)자에 실렸다.(그림 1 참고)

국제공동연구진은 국제 밀리미터 초장기선 간섭계(Global Millimeter VLBI Array, 이하 GMVA)와 칠레 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, 이하 ALMA), 그린란드 망원경(Greenland Telescope, 이하 GLT)을 이용해 관측했으며, 이 망원경들의 참여로 기존 EHT(사건지평선망원경, Event Horizon Telescope) 블랙홀 영상에서 확인할 수 없었던 물리 현상을 발견했다.

□ 블랙홀은 강한 중력으로 주변 물질들을 흡수하는데 이 물질들은 블랙홀 중심부에 부착원반* 구조를 이루고 있을 것으로 예상해 왔다. 이제까지 블랙홀 부착원반 존재에 대한 간접적인 증거는 제시됐으나 부착원반의 구조를 분해해 영상화한 적은 없었다. 이번 관측으로 부착원반에서 나온 빛이 블랙홀 주변의 고리 구조를 만들어 내는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했으며, M87과 같은 무거운 타원 은하의 블랙홀들이 주변의 물질들을 천천히 흡수한다는 기존의 예측 또한 증명했다.

※ 부착원반: 블랙홀 혼자서는 아무런 빛을 내지 않는다. 블랙홀은 근처의 기체들을 중력으로 끌어들이는 부착으로 빛을 내게 된다. 조금이라도 회전하고 있는 기체들은 부착되어 회전이 빨라지면서 부착원반을 형성하게 된다.

□ 국제공동연구진은 EHT 관측에서 사용한 빛 파장대(1.3mm)보다 긴 3.5mm의 파장대에서 블랙홀 주변의 고리 구조를 발견했다. 관측한 고리 구조의 크기는 EHT로 관측한 고리 구조에 비해 약 50% 크게 나타났다. 1.3mm 파장대에서 관측한 EHT 이미지에서는 블랙홀 주변의 광자 고리만 나타났지만 더 긴 파장대에서 관측한 GMVA+ALMA 이미지에서는 광자 고리 이외에 블랙홀보다 규모가 큰 바깥쪽 부착원반의 플라즈마에서 나온 빛이 함께 포착됐기 때문이다. (그림 2)

□ 연구진은 최초로 M87 블랙홀의 그림자와 제트*도 동시에 포착했다. 해당 결과는 블랙홀이 강한 중력으로 주변 물질을 흡수할 뿐만 아니라 빠른 속도로 움직이는 제트를 만들어 블랙홀로부터 멀리 떨어진 별과 은하들의 진화에도 영향을 줄 수 있음을 시사한다.

※ 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 발견에는 한국천문연구원이 운영에 참여하는 ALMA의 역할이 컸다. ALMA는 이미지의 감도와 남북 방향 분해능을 크게 향상해 사상 최초로 3.5mm의 파장대에서 고리 구조의 발견을 가능하게 했다. 한편 한국 연구진은 초장기선 간섭계 데이터의 오차 제거와 데이터를 이미지로 변환하는 과정에 참여해 연구에 기여했다.

□ 한국천문연구원을 포함한 공동연구진은 한국우주전파관측망(KVN), 천문연이 운영에 참여하고 있는 하와이의 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT), GMVA, ALMA를 활용해 M87 블랙홀을 한 달간 네 차례 집중적으로 추가 관측할 예정이다. 이를 바탕으로 M87에서 관측되는 강한 제트의 형성 원인과 블랙홀 주변의 플라즈마가 시간의 흐름에 따라 어떻게 변하는지 계속 연구할 예정이다.

□ 이번 연구를 이끈 한국측 책임자인 박종호 한국천문연구원 선임연구원은 “수십 년간 예측만 무성했던 블랙홀 부착원반을 사상 최초로 직접 영상화해 존재를 증명했다는 점에서 블랙홀 연구에 중요한 전환점이 되는 결과”라고 말했으며 “블랙홀이 주변의 물질을 어떤 방식으로 흡수하는지 그리고 그 과정에서 어떻게 막대한 에너지를 분출시켜 블랙홀로부터 멀리 떨어진 별과 은하의 진화에 영향을 미치는지에 대해 파악할 수 있는 중요한 실마리가 될 것”이라 밝혔다.

김재영 경북대학교 지구시스템과학부 천문대기전공 교수는 “이전의 EHT 영상이 블랙홀 자체의 실존을 증명했다면, 이번 영상은 블랙홀 바로 주변의 복잡한 천체물리학적 과정들을 선명하게 보여준다”고 설명했다.

□ 이번 발표에 대해 국제공동연구진의 주요 인사인 대만중앙연구원 천문천체물리연구소 소속 케이치 아사다(Keiichi Asada) 박사는 “이번 관측의 배경에는 성능이 향상된 ALMA와 GLT 망원경의 역할이 컸다. 그리고 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 관측된 고리 구조가 블랙홀의 부착원반이라는 사실을 밝혀낼 수 있었다”고 언급했다.

□ 한편, 이번 연구에는 121명의 연구자들이 참여했으며 국내에서는 한국천문연구원의 박종호 선임연구원, 변도영 책임연구원, 정태현 책임연구원, 경북대 김재영 교수 등 총 네 명의 연구자가 참여했다. (보도자료 끝. 참고자료 있음.)

[참고자료 1] 그림 및 참고 영상

그림 2. 기존 EHT와 이번에 GMVA+ALMA로 관측된 고리 구조의 차이에 대한 이론적인 설명.

좌측) GMVA+ALMA로 3.5mm에서 관측한 고리 구조. 파장이 길기 때문에 광자 고리(점선으로 표시)보다 바깥쪽의 부착원반(실선으로 표시)에서 나온 빛이 더 강해서 EHT로 관측된 고리 구조에 비해 약 50% 크게 나타났다.

우측) 지난 2019년 4월 공개된 사건의지평선망원경(EHT)으로 1.3mm의 파장대에서 관측한 M87 블랙홀 주변의 고리 구조. 관측된 고리 구조의 크기는 일반 상대성 이론에서 예측하는 광자 고리(점선으로 표시)의 크기와 일치하는 것으로 나타났다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀로부터 약 2.6 슈바르츠실츠 반지름(사건의 지평선의 반지름) 안쪽을 지나는 빛은 강하게 휘어진 시공간을 따라 이동하다가 결국 사건의 지평선 너머로 들어가게 된다. 따라서 관측자가 볼 수 있는 구조는 약 5.2 슈바르츠실츠 반지름의 직경을 가진 고리 구조인데, 이를 ‘광자 고리(Photon Ring)’라고 부른다. 파장이 짧기 때문에 부착원반에서 나온 빛은 약하고 광자 고리 구조가 더 두드러진다.

그림 3. 광자고리 형성 원리를 설명하는 이미지

좌측) 블랙홀 주변을 지나가는 광자들의 궤적을 나타낸 그림. 블랙홀의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 사건의 지평선이다. 사건의 지평선을 넘어가면 블랙홀의 강한 중력으로 인해 빛조차도 빠져나올 수 없다.

이미지 출처: https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo&ab_channel=Veritasium.

우측) 컴퓨터 시뮬레이션으로 만든 블랙홀 이미지 예상도. 안쪽의 얇은 고리는 블랙홀의 휘어진 시공간에 의해 만들어진 광자 고리다. 바깥쪽의 두꺼운 고리는 광자 고리 바깥쪽에 위치한 부착원반에서 나온 빛에 의해 만들어진 구조다.

그림 4. 블랙홀의 부착원반과 제트를 나타낸 상상도.

원반 형태를 이루며 블랙홀로 빨려 들어가고 있는 물질들인 부착원반과 제트의 형태를 이루며 블랙홀로부터 분출된 제트를 확인할 수 있다.

그림 6. 이번 M87 관측에 참여한 망원경들의 지리적 분포도.

GMVA는 미국의 9개의 전파망원경과 유럽의 6개의 전파망원경으로 구성된 초장기선 간섭계이다. 해당 관측에는 GMVA 이외에도 칠레의 ALMA와 그린란드의 그린란드 망원경(GLT)이 참여했다.

앞으로 있을 M87 추가 관측에는 한국의 KVN 및 천문연이 운영에 기여하고 있는 하와이의 JCMT도 참여할 예정이다.

[참고 2] 참고 설명

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

ALMA는 미국국립과학재단(NSF), 유럽남반구천문대(ESO), 일본자연과학연구기구(NINS)가 칠레 아타카마 사막에 건설하여 운영하는 국제적 천문관측장비다. 한국천문연구원은 2012년 일본국립천문대(NAOJ)와 ALMA 협력에 대한 협약을 맺고 2013년부터 사용이 가능하게 됐다. 2014년 8월에는 일본자연과학연구기구(NINS)와 ALMA 운영 및 개발에 관한 협약을 맺어 동아시아 ALMA 컨소시엄에 일본, 타이완에 이어 공식적으로 참여하고 있다.

○ (위치) 칠레 아타카마 사막의 해발고도 5,000m에 위치

○ (참여) 동아시아(일본, 대만, 한국), 북아메리카(미국, 캐나다), 유럽연합

○ (예산) ’03년부터 10년 동안 총 1조 8,000억 원 투입

○ (완공) ’13년

○ (구성) 66개의 전파망원경 집합체로 구성됨

- 주 간섭계 : 직경 12m 안테나 50개

- ACA (Atacama Compact Array) : 아타카마 밀집배열, 7m 안테나 12개, 12m 안테나 4개로 구성된 단기선 배열 간섭계

ALMA 관련 영상: https://www.almaobservatory.org/en/videos/alma-in-search-of-our-cosmic-origins/

- 한국우주전파관측망 (KVN, Korean VLBI Network)

한국천문연구원이 운영하는 KVN은 서울 연세대, 울산 울산대, 제주 서귀포 (구 탐라대 부지)에 설치된 21m 전파망원경 3기로 구성된 VLBI 관측망이다. 망원경의 사이의 거리는 최대 478km로, 세계에서 유일하게 밀리미터 대역 4개 주파수 전파를 동시에 관측할 수 있다. 서울대 평창 캠퍼스에 4호기를 건설 중이며, KVN 연세와 KVN 평창 망원경은 EHT 관측 주파수인 230GHz까지 관측이 가능하다.

한국우주전파관측망(KVN) 탐라 영상:

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

※영상의 경우 용량상의 문제로 다운로드 링크로 첨부하였습니다.

- 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT)

설명: JCMT는 하와이 마우나 케아 (Mauna Kea) 화산 근처의 약 4천미터 고도에 위치해 있는 전파망원경이다. 주로 밀리미터 및 서브밀리미터 파장대에서 관측을 하며 사건의 지평선 망원경이 사상 최초로 M87 및 궁수자리 A 블랙홀 이미지를 얻는 데 크게 기여했다. JCMT에는 최근 3.5mm 수신기를 설치해 앞으로 있을 GMVA 관측에도 참여할 예정이고 높은 퀄리티의 데이터를 제공하여 블랙홀 영상화 과정에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

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

[참고 3] 연구팀 및 논문

○ 연구 프로그램

본 연구의 해당 관측은 2018년 4월 GMVA에 ALMA와 그린란드 망원경(GLT)가 참여함으로써 수행되었다. 해당 연구는 세계 여러 나라의 연구자들로 구성된 공동연구진이 수행했고, 한국천문연구원의 박종호 선임연구원과 경북대학교의 김재영 교수가 핵심 멤버로 참여했다. 연구팀은 2021년에 블랙홀 주변 플라즈마들의 연간 변동성 연구를 위해 추가 관측을 진행했고(연구책임자: 김재영 (경북대학교)) 데이터를 분석 중이다. 2023년 및 2024년에도 관측을 계속할 예정이며 (연구책임자: 박종호 (한국천문연구원)) 주된 목적은 블랙홀 주변 플라즈마들의 주간 변동성 및 다색(多色) 이미지를 얻는 것이다.

○ 논문

- 제목 : A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet

- 게재지 : Nature

- 링크: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05843-w