블랙홀의 실제 모습을 촬영하는데 성공했다. 세계적인 천문학자들이 전세계 6개 대륙의 8개의 대형 전파망원경을 연결해서 EHT를 형성했다. 이를 이용해 우리 은하의 중심부에 위치한 초대질량 블랙홀의 실제 모습을 촬영하는 데 성공했다. 한국 천문연구원도 참여했다.
해당 프로젝트 팀은 블랙홀 주변의 영역, 즉 강한 중력으로 인해 주위로 방사되는 가스를 연구해 일반적인 동역학적 움직임 이미지를 포착하는 연구를 해왔다. 블랙홀은 은하와 우주의 생성과 관계되어 중요하다.
1. 사건의 지평선 망원경(EHT) 국제 연구진 우리은하 블랙홀 최초 촬영
우리 은하 중심부에 위치한 초 대질량(super massive)블랙홀은 ‘궁수자리A*(Sgr A)’라고 부른다. 이는 지구에서 약 2만 7000광년 떨어져 있는 궁수자리에서 발견되었다. 이 블랙홀의 영상이 사상 처음 전파 망원경에 포착되었다.
EHT 과학자들은 이 보다 3년 앞서 이보다 훨씬 지구에서 먼 거리에 있는 처녀자리 거대한 타원형 블랙홀의 그림자를 연구 시작한 지 10년 만에 촬영한 적이 있다. 2019년 4월 지구에서 약 5천500만 광년 떨어진 M87 은하의 초 대질량 블랙홀의 그림자가 천문학 사상 처음으로 공개되었다.
궁수자리A* 보다 지구에서 2000배 멀리 떨어져 있는 블랙홀의 겨우 그림자였지만 블랙홀의 실제에 접근했다는 의미에서 이미 경이로웠다. 이 블랙홀의 크기는 태양계 전체 크기에 맞먹는다.
이번에 EHT는 우리은하 중심의 초대질량 블랙홀 사진을 공개했다. 사진 속 블랙홀의 모습은 중앙에 검은 블랙홀의 그림자가 있고 그 주변을 붉은빛의 고리가 휘감고 있다. 우리은하 블랙홀의 크기는 태양에서 수성까지의 거리에 해당하는 크기이다.
우리은하 중심부 블랙홀은 상대적으로 가까운 거리에 있는 반면 질량이 매우 작고 두꺼운 가스와 먼지구름에 가려져 있어서 실제 이미지를 잡아내는 것이 훨씬 까다로웠다.
초 대질량 블랙홀은 태양 질량의 몇 배에 불과한 스텔라 블랙홀에 비해 질양이 태양 질량의 수백만 배 또는 수십억 배에 달한다. 이 대형 블랙홀은 운하 별자리를 유지하는 중력을 가진다고 알려졌다.
2. EHT( Event Horizon Telescope )의 블랙홀 관측 촬영법
‘사건의 지평선 망원경’ EHT, 이 연구단체이름은 블랙홀의 구조 중에서 바깥 경계인 ‘사건의 이벤트’에서 따왔다. 영어로는 Event Horizon이다. T는 망원경의 앞글자이다. 망원경 중에서도 라디오 전파를 이용하는 전파망원경을 이용한다.
어떤 내부에서 일어난 사건이 아무리 시간이 오래 걸려도 외부에 영향을 줄 수 없는 시공간 영역의 경계면이 ‘사건의 지평선’이다. 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 처음 제시되었다.
아무리 오래 기다려도 빛을 통한 정보가 도달할 수 없는 시공간 영역이 두 가지 있다. 블랙홀 주변의 ‘사건의 지평선’과 우주 공간의 ‘사건의 지평선’이 있다.
블랙홀은 우주 공간 내부에서 강한 중력이 작용하는 영역으로 질량 입자 또는 빛의 파동이 빠져나올 수 없다. 블랙홀 내의 아무것도 빠져나오지 못하는 지점을 이벤트 지평이라고 부른다. 블랙홀은 빛을 방출하지 않기 때문에 볼 수 없어서 검다.
블랙홀은 중력이 매우 강해서 빛조차도 블랙홀에 가까워지면 빠져 나올 수가 없다. 외부에서는 물질이나 빛이 불가항력적으로 블랙홀 안쪽으로 들어갈 수 있으나, 내부에서는 블랙홀의 중력에 의한 붕괴 속도가 탈출하려는 빛의 속도보다 크다.
그래서 내부로 들어온 물질이나 빛은 사건의 지평선을 벗어나서 원래 있던 곳으로 다시 돌아갈 수 없다. 은하계의 중심부에 자리한 거대한 블랙홀은 다양한 별들을 연결하는 중심이 된다.
빛이 블랙홀에서 탈출할 수 없는 최대 반경을 슈바르츠쉴트 반경이라고 부른다. 이 반경이 형성하는 구의 표면이 사건의 지평선이고 블랙홀의 질량에 비례해서 반경이 커진다.
블랙홀은 두가지로 구성된다. 하나는 ‘사건의 지평선’이고 다른 하나는 ‘특이점’이다. 특이점은 부피가 0이고 밀도가 무한대가 되어 블랙홀이 되는 이론적인 점을 뜻한다.
이 점은 질량체가 붕괴되는 시점이고 이때 중력의 고유 세기가 무한대로 발산한다. 특이점의 대 폭발로 생긴 원시 우주는 폭발 후 짧은 시간 동안 지수함수적으로 급격히 팽창하다가 온도와 밀도가 빠르게 떨어진다.
이때 여기서는 인과 관계가 성립되지 않는다! 별의 중력 붕괴의 말기나 팽창 우주의 초기에는 반드시 시공의 특이점이 존재한다. 스티븐 호킹과 R. 펜로즈가 증명했다.
EHT는 전 세계의 다양한 라디오 전파 데이터를 연결해서 지구 크기만 한 가상 망원경을 만들어 활동하는 국제 공동연구 프로젝트이고 2006년에 데이터를 수집하기 시작했다. EHT는 마타카마 밀리미터/서브 밀리미터 전파간섭계(ALMA)를 포함한 총 8개의 전파망원경을 연결해 하나의 망원경처럼 운용한다.
이 기술을 ‘초장기선 전파간섭계(VLBI)’라 하고 이를 활용해 지구 규모의 가상 망원경을 구축해서 망원경의 민감도와 분해능을 높였다. EHT의 분해능은 파리의 카페에 앉아 뉴욕에 있는 신문 글자를 읽을 수 있을 정도이다.
이런 민간도와 분해능이 촬영에 절대적이었다. 블랙홀의 중력때문에 블랙홀의 입구이자 경계 영역인 ‘사건의 지평선(Horizon of Event) 주변에서는 빛이 휜다(= 왜곡된다).
그리고 블랙홀 주위는 주황색 빛의 고리가 휘감는 형태이다. 주황색으로 밝게 빛나는 빛의 고리 형태의 구조와 중심부의 어두운 영역 등 블랙홀의 그림자(실루엣)가 전파망원경 기술의 발전으로 촬영되었다.
이 촬영을 위해 6개 대륙의 전세계 80개 연구기관의 300여 명이 참여해서 협력했다. 두뇌가 뛰어나고 미지의 것에 관심이 많은 인내심 강한 자들의 모임의 쾌거이다.
1광년( light year)은 천문학에서 사용하는 거리의 단위로 기호는 Ly이다. 국제천문연맹이 내린 정의에 의하면 1광년은 빛이 진공 상태에서 1 율리우스 년(= 365.25일) 동안 빛이 이동한 거리이다. 빛은 1초에 약 30만 km를 이동한다.
1광년= 9조 4607억 3047만 2581.8km
1광년= 약 6만 3000au
1광년= 0.3066 pc(파섹)
파섹은 태양으로부터 천문학적 물체까지의 시차 각도가 각거리로 1초인 거리이다. 태양계 넘어 멀리 있는 천체의 거리를 측적하기 위해 고안되었다. 시차 각도는 행성이 태양의 반대편에서 발견되었을 때(지구에서 6개월의 시차) 시차 운동을 측정하여 찾는다.
파섹 개념 이전에는 삼각법을 사용하여 별들 사이의 거리를 계산했다. 너무 멀어 측정불가했던 거리를 표현하기 위해 탄생한 것이 파섹이다.
3. 블랙홀의 시각적 증거 확보 의의
블랙홀 실제 모습 촬영 성공을 알리기 위해 소속 과학자들이 한국시간으로 5월 12일 밤10시 워싱턴을 비롯한 6개 도시에서 동시에 기자회견을 열었다.
연구진들은 이번 촬영으로 은하의 형성과 진화 과정을 밝힐 수 있을 것이며 추가적인 연구를 통해 일반상대성이론의 정밀한 검증 등 새로운 연구 결과들이 쏟아져 나아져 나올 것으로 전망한다.
이번 연구에는 세계 80개 기관에서 300명이 넘는 인원이 이 EHT 프로젝트에 참여했다. 한국도 한국 천문연구원을 중심으로 국내외 활동하는 한국인 과학자들이 참여해서 성과를 내는데 기여했다. 전 지구적인 협력이 사상 최초의 성과를 냈다.
지구밖 우주 상공에서는 제임스 웹 천체망원경이 외계 생명체를 찾는 임무를 수행하고 있고 지상에서는 초대형 전파망원경을 연결해서 블랙홀과 우주를 관측하고 있다.
온갖 것을 빨아들이는 블랙홀에 반대되는 개념인 화이트홀이 있다. 스티븐 호킹이 창안한 획기적인 개념이다. 이젠 화이트홀 촬영 차례이다.
1980년대만 해도 사람들은 블랙홀은 상상속 공상영화 속의 어떤 것이지 실제로 있으리라고는 생각하지 못했다. 블랙홀 이론이 이론물리학자들에 의해 발표되고 이론적으로 입증되었으며 이번에 세계 과학자들 연합이 EHT의 도움으로 블랙홀 실제 모습 촬영에 성공했다. 블랙홀은 은하와 우주의 생성과 관계되어 중요하다.
