인류 사상 최초 블랙홀 실체 확인...글로벌 연합 성과

-EHT 연구진, 먼 은하 M87의 중심부 블랙홀 관측

인류 역사상 최초로 블랙홀의 실제 모습을 포착했다.

사건지평선망원경(EHT) 연구진은 8개의 전파망원경으로 구성된 EHT로 초대질량 블랙홀 관측에 성공했다고 10일 밝혔다.

EHT는 전세계 전파망원경을 연결해 지구 크기의 가상 망원경을 만들어 블랙홀 영상을 포착하려는 국제협력 프로젝트이자 가상 망원경의 이름을 뜻한다. 사건지평선이란 블랙홀 안팎을 연결하는 지대다.

관측 결과는 10일 미국 천체물리학저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 특별판에 6편의 논문으로 발표됐다.

발표된 영상은 처녀자리 은하단의 중심부에 존재하는 거대은하 M87의 중심부에 있는 블랙홀을 보여준다. 이 블랙홀은 지구로부터 5500만 광년 떨어져 있으며 무게는 태양 질량의 65억배에 달한다.
 

이번에 관측한 M87. 중심의 검은 부분은 블랙홀(사건의 지평선)과 블랙홀을 포함하는 그림자이고, 고리의 빛나는 부분은 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이다. 관측자로 향하는 부분이 더 밝게 보인다.[사진=한국천문연구원]

블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없는 강한 중력을 가지고 있으며 사건지평선 바깥을 지나가는 빛도 휘어지게 만든다.

그래서 블랙홀 뒤편에 있는 밝은 천체나 블랙홀 주변에서 내뿜는 빛은 왜곡돼 블랙홀 주위를 휘감는다. 왜곡된 빛들은 우리가 볼 수 없는 블랙홀을 비춰 블랙홀의 윤곽이 드러나게 하는데 이 윤곽을 ‘블랙홀의 그림자’라고 한다.

연구진은 여러 번의 관측자료 보정과 영상화 작업을 통해 고리 형태의 구조와 중심부의 어두운 지역, 즉 블랙홀의 그림자를 발견했다. 연구진은 M87의 사건지평선이 약 4백억 km에 걸쳐 드리워진 블랙홀의 그림자보다 2.5배가량 더 작다는 것을 밝혀냈다.

블랙홀은 극단적으로 압축된 천체로, 매우 작은 공간 내에 엄청난 질량을 포함하고 있다. 실제로 지구 질량의 블랙홀은 탁구공의 절반보다도 작은 지름을 지닌다. 천체들의 존재는 시공간을 휘게 하고 주변 물질들을 초고온으로 가열시키면서 주변 환경에 극단적인 영향을 끼친다.

EHT는 전 지구에 걸친 망원경 8개를 연결해 이전에 없던 높은 민감도와 분해능을 가진 지구 규모의 가상 망원경을 만들었다. 지구의 자전을 이용해 합성하는 기술로 1.3mm 파장 대역에서 하나의 거대한 지구 규모의 망원경이 구동되는 것이다.

이런 가상 망원경을 초장기선 전파간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometry)라고 한다. EHT의 공간분해능은 파리의 카페에서 뉴욕에 있는 신문 글자를 읽을 수 있는 정도의 분해능이다.

연구진은 앞으로 국제전파천문학연구소(IRAM NOEMA) 천문대, 그린란드 망원경(GLT) 그리고 킷픽(Kitt Peak) 망원경의 참여로 더욱 향상된 민감도를 달성할 수 있을 것이라고 내다봤다.

한국은 한국천문연구원 소속 연구자 등 8명이 동아시아관측소(EAO) 산하 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT)과 아타카마 밀리미터·서브밀리미터 전파간섭계(ALMA)의 협력 구성원으로서 EHT 프로젝트에 참여했으며, 한국이 운영하고 있는 한국우주전파관측망(KVN)과 동아시아우주전파관측망(EAVN)이 이번 연구에 기여했다.

손봉원 한국천문연구원 박사는 “이번 결과는 아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 궁극적인 증명이며, 그간 가정했던 블랙홀을 실제 관측해 연구하는 시대가 도래했음을 의미한다”며 “향후 EHT의 관측에 한국의 기여도는 더욱 높아질 것”이라고 전했다.

한편 EHT의 구축과 이번 관측 결과는 수십 년간의 관측, 기술적 그리고 이론적 연구의 정점을 보여준다. 이번 국제 협력 연구는 전 세계 연구자들의 긴밀한 공동 작업을 요구했으며, 13개의 파트너 기관이 EHT를 만들기 위해 기존에 있던 기반 시설을 이용하고 각 정부 기관으로부터 지원을 받으며 함께 참여했다. 주요 예산은 미국국립과학재단(NSF), 유럽연구회(ERC) 그리고 동아시아의 연구재단들로부터 지원을 받았다.