M87 블랙홀의 1년 뒤 모습은?

- 그린란드 망원경 추가해 개선된 영상 포착…고리 구조의 밝기 변화 관측

- 올해부터 한국 전파망원경(KVN)도 블랙홀 관측 수행

그림 1. M87 블랙홀 이미지를 2017년 4월 관측(왼쪽)과 2018년 4월 관측(오른쪽)으로부터 얻은 결과. 블랙홀 그림자로 불리는 중심 검은 부분과 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이 고리 모양으로 관측됐다. 블랙홀의 그림자 부분과 고리 크기는 거의 일치하지만 고리에서 가장 밝은 부분의 위치가 다르다. 변화하는 고리의 모습을 포착했다는 의미가 있다. 하단의 하얀 선은 빛이 나흘 동안 갈 수 있는 거리를 의미하는데 블랙홀의 크기를 가늠하기 위해 표기한 선이다. (출처: ©EHT Collaboration)

□ 한국의 연구진 및 연구기관들이 참여한 국제 공동 연구진이 사건지평선 망원경(EHT, Event Horizon Telescope)으로 M87 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자와 빛의 고리 구조를 또다시 포착했다. 이번 영상은 2018년 관측 데이터로부터 얻었으며 이는 2017년 인류 역사상 최초로 포착해 2019년에 발표한 M87 블랙홀의 1년 뒤 모습이다. (그림 1 참고).

□ 2018년 포착한 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기는 2017년과 일치했지만, 고리 구조의 가장 밝은 부분의 위치에 차이가 있었다. 아인슈타인 일반 상대성 이론에 의하면 블랙홀 고리 구조의 크기*는 시간이 흐름에 따라 일정하게 관측될 것으로 예상되지만 고리 구조의 밝기 분포는 블랙홀 주변 플라즈마에 존재하는 난류 등의 효과로 인해 변할 수 있다.

※ 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기는 블랙홀의 질량에 의해서 결정되는 것으로 알려져 있다. M87 블랙홀의 질량은 매우 천천히 증가하는 것으로 알려져 있기 때문에 인류의 역사보다 긴 시간이 지나더라도 질량에는 거의 변화가 없다. 만약 2017년에 관측한 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기가 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 예측된 구조라면 다시 관측을 했을 때 해당 구조의 크기의 변화가 없어야 한다.

□ 연구진은 2017년과 2018년 관측 영상을 비교·분석해 일반 상대성 이론 및 M87 블랙홀의 존재를 다시 한번 검증했으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 후속 연구를 통해 고리 구조의 밝기 변화를 분석함으로써 블랙홀 주변 물질 유입 및 방출 과정에 대한 더 큰 실마리를 찾을 것으로 기대한다.

□ 본 관측에는 2018년 새로 참여한 그린란드 망원경(Greenland Telescope)의 역할이 컸다. 기존 8대의 EHT에 신규 망원경*이 추가되고 자체 망원경 성능도 향상돼 블랙홀 영상의 정확도가 크게 개선됐다.

※ 본 연구에 참여한 9개 망원경 : 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(ALMA), 아타카마 패스파인더(APEX), 유럽 국제전파천문학연구소(IRAM) 30미터 망원경, 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT), 대형 밀리미터 망원경(LMT), 서브밀리미터 망원경 집합체(SMA), 서브밀리미터 망원경(SMT), 남극 망원경(SPT), 그린란드 망원경(GLT)

□ EHT는 2017년을 시작으로 2018, 2021, 2022년에 M87을 관측했으며 2024년에도 관측을 수행할 예정이다. 특히 올해는 한국천문연구원이 운영하는 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)이 관측에 직접 참여한다. 연구진은 KVN의 참여로 더 정확한 블랙홀 영상을 얻을 수 있을 것으로 기대한다.

□ 블랙홀 영상화팀의 공동 리더인 한국천문연구원/연세대학교 박사후연구원 조일제 박사는 "블랙홀 영상화는 페타바이트에 달하는 방대한 관측 자료를 과학연구에 필요한 영상으로 변환하는 중요한 과정”이라며 “이번 영상화 과정에서 한국 연구자들이 영상화팀의 공동 리더를 맡음으로써 거대 국제 협력 프로젝트에서 주도적인 역할을 수행했다”고 강조했다.

□ 블랙홀 영상화팀의 공동 리더 경희대학교 우주과학과 박종호 교수는 “이번 결과는 2017년에 발표된 최초의 M87 블랙홀 이미지를 다시 한번 검증했을 뿐만 아니라, 1년이라는 짧은 시간 동안 변하는 고리의 모습을 포착했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “해당 결과는 지속적인 블랙홀 관측의 중요성을 보여주고 있다”고 말했다.

□ 해당 연구에 참여한 경북대학교 지구시스템과학부 천문대기전공 김재영 교수는“그린란드 망원경의 참여를 시작으로 후속 관측에서는 KVN을 포함한 더 많은 망원경들의 참여가 예상되고, 그동안 보지 못했던 블랙홀의 모습을 포착할 가능성이 기대된다”고 밝혔다.

□ 이번 국제 공동 연구의 총괄 책임자인 대만중앙연구원 천문천체물리연구소 소속 케이치 아사다(Keiichi Asada) 박사는 “과학 연구에 있어 가장 중요한 가치 중 하나가 관측 결과의 재현성이다”며, “블랙홀 그림자의 존재를 새로운 관측을 통해 확인했다는 것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 확실하게 입증하는 중요한 결과다”고 언급했다.

□ 한편, 본 연구는 Astronomy & Astrophysics 2024년 1월호에 게재된다.(보도자료 끝. 붙임자료 및 이미지 있음.)

[참고 1] 그림 및 참고 영상

- 그린란드 망원경(GLT, Greenland Telescope)

그림 2. 그린란드 망원경(GLT)

2018년부터 EHT 관측에 참여하여 영상 성능 향상에 큰 역할을 했다. 현재 그린란드 피투피크(Pituffik) 지역에 있으며 곧 그린란드의 정상으로 옮겨 더 높은 주파수에서의 블랙홀 영상을 얻을 계획이다. (출처: Matsusita/ASIAA)

- 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)

그림 3. KVN 평창 전파망원경

한국천문연구원이 운영하는 KVN은 서울 연세대, 울산 울산대, 제주 서귀포(구 탐라대 부지), 평창에 설치된 21m 전파망원경 4기로 구성된 초장기선 간섭계(VLBI: Very Long Baseline Interferometry) 관측망이다. KVN은 우리나라 크기 만한 가상의 큰 망원경을 구현하여 높은 분해능을 얻을 수 있다. 이를 통해 블랙홀이나 활동성 은하핵, 별의 탄생과 사멸 지역과 같은 우주의 초미세 구조를 세밀하게 관측할 수 있다. 최근 서울대 평창 캠퍼스에 KVN 4호기 건설이 완공되었으며, KVN 평창 전파망원경은 기존 KVN 망원경의 관측 주파수 대역을 포함해 최고 270GHz에 이르는 고주파수 우주전파신호를 관측할 수 있는 세계 최초 5채널(22/43/86/150/230GHz) 수신시스템을 갖췄다.

[천문연 보도자료 2023년 12월 20일자 참고: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/29883]

- 2018년 M87 관측에 참여한 EHT 망원경

(상단) 2017년 관측에 참여한 망원경과 달리 (하단) 2018년 관측에는 그린란드 망원경이 추가된 것을 확인할 수 있다. [출처: 미국 국립전파천문대]

[참고 2] M87 블랙홀 연구 관련 주요 내용

[참고 3] 참고 설명

그림 5. 광자고리 형성 원리를 설명하는 이미지

(a) 블랙홀 주변을 지나가는 광자들의 궤적을 나타낸 그림. 블랙홀의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 사건의 지평선(Event Horizon)이다. 블랙홀 주변에는 중력이 너무 강해서 빛조차도 외부로 빠져나갈 수 없는 사건의 지평선이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이 사건의 지평선의 존재 및 블랙홀 근처의 강한 시공간의 휘어짐으로 인해 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서는 관측자가 블랙홀 그림자를 둘러싼 고리 구조를 보게 될 것으로 예측한다. 사건의 지평선을 넘어가면 블랙홀의 강한 중력으로 인해 빛조차도 빠져나올 수 없다.

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

(b) 컴퓨터 시뮬레이션으로 만든 블랙홀 이미지 예상도. 왼쪽 그림과 같이 블랙홀의 사건의 지평선의 존재로 인해 관측자는 약 5.2 슈바르츠실츠 반지름*의 직경의 고리 구조와 중심의 블랙홀 그림자를 관측하게 된다. 블랙홀 그림자의 크기는 블랙홀의 질량에 의해서 결정되는 것으로 알려져 있다. M87 블랙홀의 질량은 매우 천천히 증가하는 것으로 알려져 있기 때문에 인류의 역사보다 긴 시간이 지나더라도 질량에는 거의 변화가 없다.

* 슈바르트실츠 반지름은 어떤 질량을 가진 천체가 블랙홀이 됐을 때의 반지름이다.

그림 출처: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

[참고 4] 이번 연구에 참여한 국내연구진 명단

- 국내 참여자 총 9명: 성함, 직급 (소속)

• 조일제 박사후연구원 (천문연, 연세대)

• Xiaopeng Cheng 박사후연구원 (천문연)

• 정태현 책임연구원 (천문연, UST)

• 김재영 조교수 (경북대)

• 김종수 책임연구원 (천문연)

• 김준한 조교수 (KAIST)

• 이상성 책임연구원 (천문연)

• 박종호 조교수 (경희대)

• 손봉원 책임연구원 (천문연, 연세대, UST)

[참고 5] 논문

○ 논문

- 제목 : The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87: I. Observations, calibration, imaging, and analysis

- 게재지 : Astronomy & Astrophysics 2024년 1월호

- 논문 링크: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932

- EHT 연구단 영문 보도자료 원문 링크:

https://eventhorizontelescope.org/M87-one-year-later-proof-of-a-persistent-black-hole-shadow