우리 은하 블랙홀 첫 사진: 블랙홀 궁수자리 A*와 그 사진의 내용, 사진 생성 과정 그리고 그 사진의 과학적 의의

* 역자 주: 2019년 메시에(Messier) 87 은하 중심에 M87*이라고 불리는 블랙홀의 첫 번째 사진을 공개한 바 있는 전 세계 수백 명의 천문학자로 구성된 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope) 팀은 2022년 5월 우리 은하(Milky Way galaxy) 블랙홀의 첫 번째 사진을 공개했다. 블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 가장 심오한 예측 중 하나로 원래 물리적으로 관련된 천체라기보다는 이론의 단순한 수학적 결과로 연구되었지만, 그것들은 곧 처음에 은하를 형성하는 중력 붕괴의 일반적이고 때로는 피할 수 없는 결과로 생각되었다. 이번에 공개된 우리 은하의 첫 번째 블랙홀 사진인 궁수자리 A*는 지구로부터 26,000광년 떨어진 곳에 위치하고 있다. 이 팀은 지구 곳곳에 있는 8개의 전파망원경으로 구성된 네트워크로 이 블랙홀 촬영에 성공했는데 이 망원 네트워크는 함께 지구 크기의 가상 망원경을 구성할 수 있다. 블랙홀 자체를 볼 수는 없지만 완전히 어둡기 때문에 주변의 빛나는 가스는 밝은 고리 모양의 구조로 둘러싸인 그림자라 불리는 블랙홀의 어두운 중앙 영역을 보여준다. 이 새로운 발견은 태양보다 400만 배 더 무거운 블랙홀의 강력한 중력에 의해 휘어진 빛을 포착한다. 이 발견은 또한 대부분의 은하 중심에 있는 것으로 생각되는 블랙홀의 작동에 대한 귀중한 단서를 제공한다. 이 글은 애리조나 대학교 천문학과 교수 Chris Impey의 Conversation 5월 12일 자 기고 Say hello to Sagittarius A*, the black hole at the center of the Milky Way galaxy의 번역으로 궁수자리 A*의 정체와 사진 생성과정, 그 사진의 과학적 의의에 대해 설명하고 있다.

우리 은하의 중심에 있는 블랙홀인 궁수자리 A*에게 인사하자

이 사진은 우리 은하의 중심에 있는 블랙홀인 궁수자리 A*를 보여준다. 어떤 빛도 중력을 벗어날 수 없기 때문에 블랙홀의 직접적인 이미지를 찍는 것은 불가능하다. 그러나 블랙홀을 둘러싸고 있는 가스에 의해 방출되는 전파를 측정하는 것은 가능하다. 사진: EHT Collaboration, CC BY-SA

2022년 5월 12일 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope) 팀의 천문학자들은 우리 은하(Milky Way galaxy)의 중심에 있는 궁수자리 A*(Sagittarius A*)라는 블랙홀의 이미지를 공개했다. 애리조나 대학의 천문학자인 크리스 임피(Chris Impey)는 그 팀이 어떻게 이 이미지를 얻었는지 그리고 왜 그것이 그렇게 큰 문제인지를 설명한다.

1. 궁수자리 A*는 무엇인가?

궁수자리 A*는 궁수자리 방향으로 우리 은하의 중심에 있다. 수십 년 동안 천문학자들은 그곳에서 극도로 조밀한 소스에서 나오는 전파의 폭발을 측정해 왔다.

1980년대에 두 팀의 천문학자들이 이 신비한 전파원 근처에서 별의 움직임을 추적하기 시작했다. 그들은 빛의 속도의 3분의 1에 달하는 속도로 별들이 어두운 물체 주위를 도는 것을 보았다. 그들의 움직임은 우리 은하의 중심에 태양 질량의 400만 배인 블랙홀이 있음을 시사했다. 라인하르트 겐젤(Reinhard Genzel)과 안드레아 게즈(Andrea Ghez)는 이 발견으로 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

블랙홀의 크기는 사건의 지평선(event horizon), 즉 블랙홀 중심에서 아무것도 빠져나갈 수 없는 거리로 정의된다. 과학자들은 이전에 궁수자리 A*의 지름이 1,600만 마일(2,600만 킬로미터) 임을 계산할 수 있었다.

우리 은하의 블랙홀은 거대한 별이 죽을 때 남겨진 블랙홀에 비해 거대하다. 그러나 천문학자들은 거의 모든 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있다고 생각한다. 이들 대부분에 비해 궁수자리 A*는 빈약하고 눈에 띄지 않는다.

2. 새로운 이미지는 무엇을 보여주는가?

블랙홀 자체는 완전히 어둡다. 빛조차도 중력을 벗어날 수 없기 때문이다. 그러나 블랙홀은 가스 구름으로 둘러싸여 있으며 천문학자들은 이 가스를 측정하여 내부에 있는 블랙홀의 이미지를 추론할 수 있다. 이미지에서 중앙의 어두운 부분은 블랙홀에 의해 가스에 드리워진 그림자이다. 밝은 고리는 가스 자체가 빛을 발하는 것이다. 고리의 밝은 점들은 언젠가 블랙홀로 떨어질지도 모르는 더 뜨거운 가스의 영역을 보여준다.

이미지에서 보이는 가스 중 일부는 실제로 궁수자리 A* 뒤에 있다. 그 가스에서 나온 빛은 블랙홀의 강력한 중력에 의해 지구 쪽으로 구부러져 있다. 중력 렌즈로 알려진 이 효과는 일반 상대성 이론의 핵심 예측이다.

이 사진에서 보이는 은하수의 중심과 같은 은하핵은 가스와 파편들로 가득 차 있어서, 그 곳에서 별이나 블랙홀의 어떤 직접적인 이미지도 얻기가 매우 어렵다. 사진: NASA/JPL-Caltech, CC BY-NC

3. 이 이미지를 만드는 데 무엇이 들어갔는가?

초거대질량 블랙홀은 측정하기가 매우 어렵다. 그들은 멀리 떨어져 있으며 은하의 중심을 막는 가스와 먼지에 둘러싸여 있다. 또한 광대한 공간에 비해 상대적으로 작다. 우리 은하 중심에서 26,000광년 떨어진 궁수자리 A*가 있는 곳에서 가시광선의 100억 광자 중 1개만이 지구에 도달할 수 있으며 대부분은 도중에 가스에 의해 흡수된다. 전파는 가시광선보다 훨씬 쉽게 가스를 통과하므로 천문학자들은 블랙홀을 둘러싼 가스의 전파 방출을 측정했다. 이미지의 주황색은 해당 전파를 나타낸다.

연구자들은 단일의 거대한 망원경 역할을 하기 위해 전 세계 8개의 망원경 (흰 선이 교차하는 지점에 위치)을 사용했다. 사진: ESO/L. Calçada, CC BY-ND

이 팀은 2017년 5박 동안 전 세계에 흩어져 있는 전파 망원경 8개를 사용하여 블랙홀에 대한 데이터를 수집했다. 매일 밤 너무 많은 데이터를 생성하여 인터넷을 통해 전송할 수 없었다. 따라서 데이터를 처리하는 곳으로 물리적 하드 드라이브를 보내야 했다.

블랙홀은 보기가 매우 어렵기 때문에 망원경이 수집하는 데이터에는 많은 불확실성이 있다. 이 모든 것을 정확한 이미지로 변환하기 위해 팀은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 수집된 데이터와 물리학 법칙을 기반으로 하는 수학적으로 실행 가능한 버전의 블랙홀인 수백만 개의 서로 다른 이미지를 생성했다. 그런 다음 이 모든 이미지를 함께 혼합하여 최종적이고 아름답고 정확한 이미지를 생성했다. 처리 시간은 1년 동안 2,000대의 노트북을 최고 속도로 실행하는 것과 같다.

4. 새로운 이미지가 왜 그렇게 큰 이슈인가?

2019년 이벤트 호라이즌 망원경 팀은 은하 M87의 중심에 있는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 공개했다. M87*으로 명명된 이 은하의 중심에 있는 블랙홀은 궁수자리 A*보다 2,000배 더 크고 태양 질량의 70억 배에 달하는 거대 물체(behemoth)이다. 그러나 궁수자리 A*는 M87*보다 지구에 2,000배 더 가깝기 때문에 이벤트 호라이즌 망원경은 비슷한 해상도로 두 블랙홀을 모두 관찰할 수 있어 천문학자들에게 두 블랙홀을 비교하여 우주에 대해 배울 수 있는 기회를 제공했다.

왼쪽의 M87*은 오른쪽의 궁수자리 A*보다 2,000배 더 크다. 얇은 흰색 원은 태양계에 있는 행성들의 궤도의 크기를 나타낸다. 이미지: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd), CC BY-ND

두 이미지의 유사성은 놀랍다. 왜냐하면 작은 별들과 작은 은하들은 큰 별들이나 큰 은하와 매우 다르게 보이고 행동하기 때문이다. 블랙홀은 하나의 자연법칙인 중력에 대해서만 대답하는 존재하는 유일한 물체이다. 그리고 중력은 규모에 상관하지 않는다.

지난 수십 년 동안 천문학자들은 거의 모든 은하의 중심에 거대한 블랙홀이 있다고 생각했다. M87*은 비정상적으로 거대한 블랙홀인 반면, 궁수자리 A*는 우주의 다른 은하 중심에 있는 수천억 개의 블랙홀과 매우 유사하다.

5. 이것은 어떤 과학적 질문에 답할 수 있는가?

이 팀이 수집한 데이터에서 해야 할 더 많은 과학이 있다.

조사의 한 흥미로운 영역은 궁수자리 A*를 둘러싸고 있는 가스가 빛의 속도로 움직이고 있다는 사실에서 비롯된다. 궁수자리 A*는 상대적으로 작고 물질이 매우 천천히 그 안으로 흘러 들어간다. 만약 그것이 인간의 크기라면 백만 년마다 쌀 한 알의 덩어리를 소비할 것이다. 그러나 많은 이미지를 찍으면 블랙홀 주변과 내부로 물질의 흐름을 실시간으로 관찰할 수 있다. 이를 통해 천체 물리학자들은 블랙홀이 어떻게 물질을 소비하고 성장하는지 연구할 수 있다.

사진 하나는 천 단어의 가치가 있으며 이 새로운 이미지는 이미 10개의 과학 논문을 생성했다. 나는 더 많은 논문이 나올 것이라고 기대한다.