‘지구 크기 망원경’으로 사상 최초 블랙홀을 본다

[아하! 우주] ‘지구 크기 망원경’으로 사상 최초 블랙홀을 본다

 최종수정 2017-02-19 17:07       

백조자리 X-1이라는 이름을 가진 블랙홀 상상도. 지구로부터 약 6,070 광년 거리에 있다.

우리는 머지않아 초질량 블랙홀의 이미지를 최초로 볼 수 있을지도 모른다.

과학자들은 4월 5~14일 사이에 궁수자리 A 블랙홀을 관측하기 위해 가상 망원경(virtual-telescope)을 구축 완료했다.

궁수자리 A는 지금까지 직접적으로 관측된 적은 한번도 없지만, 과학자들은 근처 별들의 움직임을 통해 틀림없이

블랙홀이 있을 것이라 믿고 있다.

만약 블랙홀의 이미지를 직접 관측할 수 있다면 이는 아인슈타인의 중력 이론을 재평가하는 결정적인 사례가 될 것이며,

물리학을 기초부터 다시 써야 하는 상황이 올지도 모른다.

궁수자리 A는 지구로부터 약 2만 6,000광년 떨어진 거리에 있으며, 지름은 2000만km 정도 된다.

과학자들은 수많은 전파수신기의 연결로 이루어진 지구 크기의 가상 망원경으로 이 블랙홀의 사건 지평선 이미지를

최초로 잡아낼 수 있게 되기를 희망하고 있다.

블랙홀의 사건 지평선이란 외부에서는 물질이나 빛이 자유롭게 안쪽으로 들어갈 수 있지만, 내부에서는 블랙홀의 중력에

대한 탈출속도가 빛의 속도보다 커서 원래 있던 곳으로 다시 되돌아 갈 수 없는 경계선을 말한다.

다시 말하면, 블랙홀의 일방통행 구간이다.

가상 망원경은 이런 이유로 해서 ‘사건 지평선 망원경’이란 이름이 붙게 되었다.

우리은하 중심에 있는 궁수자리 A의 사진.

프로젝트 리더인 셰퍼드 돌먼 하버드스미소니언 천체물리학연구소 교수는 BBC와의 인터뷰에서 “참으로 흥미진진한

결과가 기대된다”면서 흥분을 감추지 못했다. 이어 “우리는 지난 20년 동안 이 가상 망원경을 구축해왔다.

오는 4월이면 사상 최초로 블랙홀의 사건 지평선 이미지를 망원경 초점에 잡을 수 있을 것으로 기대하고 있다"면서

"가상 망원경은 남극에서 하와이, 아메리카 대륙과 유럽까지, 전 지구적으로 연결된 전파 수신기 네트워크"라고 설명했다.

다시 말하면, 이 가상 망원경의 지름이 지구 크기와 맞먹는 만큼 궁수자리 A 블랙홀의 사건 지평선을 잡아낼 수 있을 만한 해상력을 확보했다는 얘기다.

우리은하 중심에 있는 블랙홀은 1931년 미국 물리학자 칼 잰스키가 은하 중심에서 오는 라디오 파를 발견함으로써

그 존재가 예측되었다

.

가상 망원경은 남극에서 하와이, 아메리카 대륙과 유럽까지, 전 지구적으로 연결된 전파 수신기 네트워크다.

돌먼 교수는 “아인슈타인의 이론에 대해 내기를 하는 것은 아주 현명치 못한 일이다.

하지만 기대치와 전혀 다른 결과가 나왔다면 아인슈타인의 중력이론도 재평가되어야 한다"면서 "물론 그런 일이 일어날

것으로 보진 않지만, 그렇다고 그 가능성을 제외할 수는 없다.

그게 물리학의 아름다움”이라고 밝혔다.

가상 망원경을 이루는 각 전파 수신기에는 데이터를 저장할 수 있는 대형 하드 드라이브를 갖추고 있으며,

이 데이터들은 모두 미국 메사추세츠 보스턴 근교에 있는 MIT 헤이스텍 천문대로 수집되어 분석에 들어간다.

분석작업에는 오랜 시간이 걸리는데, 금년 말 또는 내년까지 가야 그 결과가 도출될 수도 있다.

어쨌든 우리는 사상 최초로 궁수자리 A 블랙홀의 사건 지평선을 눈으로 볼 수 있게 될 것이며,

혹 아인슈타인 이론에 결함이 있다면 그 사진이 무엇이 진실인지를 보여줄 것이다.

○세계 과학자들, 4월 첫 직접관측 도전 

○ 블랙홀 가장자리 관측해 존재 증명…첫 타깃은 ‘궁수자리 A*’

이벤트 호라이즌은 블랙홀의 가장자리를 의미하며, ‘사건의 지평선’으로 번역된다. 사건의 지평선을 경계로 안쪽에 있는 블랙홀은 모두 검게 보인다. 이 때문에 이벤트 호라이즌 망원경은 경계를 집중 관측하게 된다. 관측 불가능한 블랙홀 대신 블랙홀의 아주 가까이에서만 일어날 수 있는 현상을 관측하는 것이다. 

과학자들이 예측한 블랙홀 상상도. 다음 달 미국, 유럽, 일본, 한국 등의 과학자들이 ‘이벤트 호라이즌 망원경(EHT)’ 프로젝트를 통해 블랙홀 직접 관측에 처음으로 나선다. 세계 9곳에 설치된 전파망원경을 서로 연동해 블랙홀의 가장자리가 원형 고리 형태로 빛나는 ‘블랙홀 그림자 현상’처럼 블랙홀 인근에서만 일어나는 현상을 관측하고, 이를 바탕으로 블랙홀의 존재를 입증할 계획이다. 유튜브 화면 캡처

대표적인 것이 ‘블랙홀 그림자 현상’이다. 이 프로젝트에 참여하는 손봉원 한국천문연구원 전파천문연구그룹 선임연구원은 “블랙홀이 주변 모든 물질을 빨아들이며 광자(光子)를 흡수할 때는 가장자리가 원형의 고리로 보일 것”이라고 말했다. 블랙홀에 끌려 들어가지 않고 맴도는 빛(광자)에 의해 블랙홀의 경계선이 모습을 드러낼 것이란 뜻이다. 은하의 중심에서 거대한 원형 고리가 관측되면 블랙홀의 존재가 입증되는 셈이다. 만약 원형 고리의 한쪽 반원이 밝고, 다른 쪽 반원이 어둡게 보인다면 블랙홀의 자전 현상도 증명 가능하다.

첫 번째 타깃은 우리 은하 중심에 있는 것으로 알려진 초대형 블랙홀 ‘궁수자리 A*’이다. 지구에서 약 2만8000광년 거리로 가장 가깝다. 그 다음 타깃은 약 5446만8000광년 거리의 ‘처녀자리 A*’이다.  

○ 지구 크기 망원경, 분해능 ‘100만분의 1도’에 도전

이벤트 호라이즌 망원경은 세계 각지의 최첨단 전파망원경으로 하나의 천체를 동시 관측해 분해능(떨어져 있는 두 물체를 구별하는 능력)을 높이는 ‘초장기선 간섭계 기술(VLBI)’을 활용한다. 전파망원경은 가시광선보다 파장이 길고 장거리 전달이 잘되는 전파 대역 신호를 관측한다. 먼 우주까지 관측할 수 있는 것이다. 하지만 같은 크기 광학망원경보다 분해능이 떨어진다. 따라서 전파의 간섭현상을 활용해 여러 대의 전파망원경을 하나의 집합체로 연동해 사용한다. 

 

칠레 북부의 ‘아타카마 대형 밀리미터 관측망(ALMA)’. 64개의 전파망원경이 연동돼 있다. 최초로 블랙홀을 관측하는 ‘이벤트 호라이즌 망원경(EHT)’ 프로젝트에 활용되는 9곳의 천문대 중 하나다. 한국천문연구원은 ALMA와 미국 하와이 섬의 ‘제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT)’을 통해 프로젝트에 참여한다. 아메리카스페이스 제공

이벤트 호라이즌 망원경은 이를 지구 차원으로 확대한 셈이다. 미국 하와이 섬의 ‘제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT)’과 멕시코 푸에블라 주 ‘대형 밀리미터 망원경(LMT)’, 칠레 북부의 ‘아타카마 대형 밀리미터 관측망(ALMA)’, 프랑스 뷔르 고원 ‘북부 확장 밀리미터 관측망(NOEMA)’, 남극의 ‘남극점 망원경(SPT)’ 등이 포함됐다.

단일 전파망원경으로 얻을 수 있는 최고 분해능은 약 6도(관찰자를 기준으로 두 물체가 떨어진 각도) 수준이지만, 이벤트 호라이즌 망원경의 경우 분해능이 100만 분의 1도로 600만 배가량 높아진다. 같은 시각, 서로 다른 망원경을 통해 들어온 블랙홀의 전파 신호를 컴퓨터로 통합 분석해 이를 역추적하는 방식으로 블랙홀의 모습을 담은 영상을 얻는 게 목표다. 첫 블랙홀 영상은 올해 말쯤 나올 것으로 보인다.

○ 한국, 일본과 공동으로 별도 전파관측망도 활용 

국내에서는 천문연이 9곳의 천문대 중 JCMT와 ALMA에서 블랙홀 관측에 참여한다. 천문연은 같은 기간 일본국립천문대와 공동 운영하는 ‘한일 공동 전파관측망(KaVA)’도 별도 가동한다. 이벤트 호라이즌 망원경은 1∼3mm 파장 대역의 전파를 관측하지만, KaVA는 이보다 긴 7mm와 1.3cm 파장 대역의 전파 신호를 수집해 관측 결과를 보완한다.

손 연구원은 “그동안은 블랙홀이 강력하게 내뿜는 것으로 알려진 제트 현상만 멀리서 관측하며 블랙홀의 존재를 가늠해 왔지만, 이번 프로젝트를 통해 처음으로 블랙홀의 모습을 가까이서 볼 수 있으리라 기대한다”며 “만약 그동안 예측해온 블랙홀의 모양이 실제와 다르다 해도 블랙홀에 관한 이론을 개선하고 우주의 탄생과 진화의 비밀을 푸는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 
　 
송경은 동아사이언스 기자 kyungeun@donga.com

원문보기:
http://news.donga.com/NewsStand/3/all/20170303/83147010/1#csidx7bd1d2705e6283d9c40242f815b139d