M87 블랙홀 전례없는 관측 데이터 통합

2019년 4월 과학자들은 EHT (Event Horizon Telescope)를 사용한 은하 M87의 블랙홀 이미지를 처음으로 공개했다.

14일(현지시각) 새로 발표된 19개 관측소의 데이터는 이 블랙홀과 그것이 작동하는 시스템에 대한 탁월한 통찰력을 제공하고 아인슈타인의 일반 상대성 이론 테스트 개선을 약속한다.

대규모 데이터 세트를 설명하는 천체물리저널 레터즈(The Astrophysical Journal Letters)에 발표 된 새로운 연구의 공동 저자 인 일본 국립 천문대 (National Astronomical Observatory of Japan)의 카주히로 하다(Kazuhiro Hada)는 “이 놀라운 이미지를 최대한 활용하려면 전체 전자기 스펙트럼을 관찰함으로써 당시 블랙홀의 행동에 대해 가능한 모든 것을 알아야한다” 말했다.

초 거대 질량 블랙홀(SMBH)의 엄청난 중력은 먼 거리에 걸쳐 거의 빛의 속도로 이동하는 입자 제트에 동력을 공급할 수 있다. M87의 제트는 전파에서 가시 광선, 감마선에 이르기까지 전체 전자기 스펙트럼에 걸쳐 빛을 생성한다. 이 패턴은 블랙홀마다 다르다. 이 패턴을 식별하면 블랙홀의 특성(스핀 및 에너지 분출)에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있지만 패턴이 시간에 따라 변하기 때문에 문제가 된다.

과학자들은 지상과 우주에서 세계에서 가장 강력한 많은 망원경으로 관측을 조정해 스펙트럼 전체에서 빛을 수집함으로써 이러한 변동성을 보완했다. 2017 년 관측은 제트기로 초대형 블랙홀에서 수행된 가장 큰 동시 관측 캠페인이었다.

하버드 스미소니언 천체 물리학 센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)에서 관리하는 3 개의 천문대는 획기적인 캠페인에 참여했다. 하와이 힐로에 있는 서브 밀리미터 어레이 (SMA); 우주 기반 찬드라 X 선 천문대; 및 미국 남부 애리조나에 있는 매우 활기찬 방사선 이미징 망원경 배열 시스템 (VERITAS) 등이다.

EHT의 상징적 M87 이미지를 시작으로 새로운 비디오는 각 망원경의 데이터로 구성됐다. 연속된 각 프레임은 빛의 파장과 물리적 크기 모두에서 10 가지 요소의 데이터를 보여준다.

시퀀스는 2019 년 4 월 블랙홀 이미지로 시작된다. 그런 다음 전 세계 (SMA)의 다른 전파 망원경 어레이의 이미지를 통해 이동하며 각 단계에서 시야에서 바깥쪽으로 이동한다. 다음으로 가시 광선, 자외선 및 X 선 (찬드라)을 감지하는 망원경으로 시야가 변경된다. 화면이 분할되어 동시에 같은 양의 하늘을 덮고 있는 이러한 이미지가 서로 어떻게 비교되는지 보여준다. 이 시퀀스는 지상에있는 감마선 망원경 (VERITAS)과 우주에 있는 페르미가 이 블랙홀과 그 제트에서 감지하는 것을 보여줌으로써 끝난다.

각 망원경은 지구에서 약 5,500 만 광년 떨어진 M87의 중심에 있는 65 억 개의 태양 질량 블랙홀의 거동과 영향에 대한 다른 정보를 제공한다.

공동 저자 캐나다 몬트리올의 멕길 대학(McGill University) 데릴 하가드(Daryl Haggard)는 “그들의 모델이 이러한 풍부한 관찰과 일치하는 지 보고 싶어하는 여러 그룹이 있으며, 전체 커뮤니티가 이 공개 데이터 세트를 사용하여 블랙홀과 제트기 간의 딥 링크를 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 것을 보게 기쁘다”고 말한다.

데이터는 32 개 국가 또는 지역에 걸쳐 약 200 개 기관의 760 명의 과학자 및 엔지니어 팀이 수집했으며 전 세계 기관 및 기관에서 자금을 지원하는 관측소를 사용했다. 관찰은 2017 년 3 월 말부터 4 월 중순까지 집중됐다.

말레이시아 쿠알라 룸푸르에 있는 말라야 대학의 공동 저자 후안 카를로스 알가바는 “이 놀라운 관측 세트에는 세계 최고의 망원경이 많이 포함되어 있다. 이것은 전 세계의 천문학 자들이 과학을 추구하기 위해 함께 일하는 훌륭한 예”라고 말한다.

첫 번째 결과는 M87의 초대형 블랙홀 주변의 물질에서 생성되는 빛의 강도가 지금까지 관찰된 것 중 가장 낮았음을 보여준다. 이것은 블랙홀의 ‘그림자’를 보기 위한 이상적인 조건을 만들어 냈을 뿐만 아니라 블랙홀에서 수만 광년 떨어져 있는 이벤트 지평선에 가까운 지역의 빛을 분리할 수 있었다.

이 망원경의 데이터와 현재 (및 미래의) EHT 관측의 조합을 통해 과학자들은 천체 물리학의 가장 중요하고 도전적인 연구 분야에 대한 중요한 조사를 수행할 수 있다. 예를 들어 과학자들은 이 데이터를 사용하여 아인슈타인의 일반 상대성 이론 테스트를 개선할 계획이다. 현재 블랙홀 주위를 회전하고 제트에서 날아가는 물질에 대한 불확실성, 특히 방출된 빛을 결정하는 특성은 이러한 일반 상대성 테스트의 주요 장애물을 나타낸다.

오늘의 연구에서 다루는 관련 질문은 “우주 광선”이라고 불리는 에너지 입자의 기원에 관한 것이다.

오늘의 연구에서 다루는 관련 질문은 우주에서 지구로 향하는 우주선(cosmic rays)이라고 하는 에너지 입자의 기원에 관한 것이다. 그들의 에너지는 지구상에서 가장 강력한 가속기인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 생성될 수 있는 것보다 백만 배 더 높을 수 있다.

오늘날의 이미지에 표시된 것과 같이 블랙홀에서 발사 된 거대한 제트는 가장 높은 에너지 우주선의 원천으로 생각되지만 입자가 가속되는 정확한 위치를 포함해 세부 사항에 대한 많은 질문이 있다. 우주 광선은 충돌을 통해 빛을 생성하기 때문에 가장 높은 에너지의 감마선이 이 위치를 파악할 수 있다. 새로운 연구에 따르면 이러한 감마선은 이벤트 지평선 근처에서 생성되지 않을 가능성이 높다. 적어도 2017년에는 발생하지 않았다. 이 문제를 해결하는 주요 토론은 2018년의 관찰과 이번 주에 수집되는 새로운 데이터와의 비교가 될 것이다.

암스테르담 대학 공동 저자 세라 마르코프(Sera Markoff)는 “입자 가속도를 이해하는 것은 모든 ‘색상’에서 EHT 이미지와 제트기 모두에 대한 이해의 핵심입니다. 이 제트는 거대한 전원 코드처럼 블랙홀에서 방출된 에너지를 호스트 은하보다 더 큰 규모로 전달한다. 우리의 결과는 전달되는 전력의 양과 블랙홀의 제트가 환경에 미치는 영향을 계산하는 데 도움이 될 것”이라고 말한다.

이 새로운 데이터의 공개는 2018년 이후 처음으로 전 세계 전파 마원경을 활용하는 EHT의 2021년 관측 실행과 일치한다. 작년 캠페인은 COVID-19 유행병으로 인해 취소, 전년도는 중단됐었다. 예상치 못한 기술적 문제 때문이다. 이번 주, 6 일 밤 동안 EHT 천문학자들은 몇 개의 초 거대 블랙홀을 목표로 삼고 있다.

다시 M87에 있는 블랙홀, 우리 은하에 있는 궁수 자리 A *라고 불리는 블랙홀, 그리고 몇 개의 더 먼 블랙홀 등이다. 2017 년과 비교해 그린란드 망원경, 애리조나의 Kitt Peak 12 미터 망원경, 프랑스의 NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA)의 세 가지 전파 망원경을 추가하여 어레이를 개선했다.

예일 대학(Yale University)의 공동 저자 미슬라브 발로코빅(Mislav Balokovic)은 “관측 재개 및 개선된 EHT와 결합 된 이러한 데이터의 공개로 인해 많은 흥미 진진한 새로운 결과가 곧 나타날 것임을 알고 있다”라고 말한다.

서브 밀리미터 어레이 프로젝트 과학자인 공동 저자 가렛 키팅(Garrett Keating)은 “은하수 중심에 있는 거대한 블랙홀 궁수 자리 A *의 결과가 곧 나오고 올해 관측이 재개됨에 따라 우리는 앞으로 몇 년 동안 EHT로 더욱 놀라운 결과를 기대하고 있다”고 설명했다.

* J. C. Algaba et al. Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/abef71