한일 연구진, 인류 최초 관측 블랙홀 'M87' 자기장 강도 쟀다

한일 공동 우주전파관측망 활용…22㎓, 43㎓ 주파수대 관측
복사냉각 현상 분석…제트 자기장 강도 0.3~1가우스 추정

지난 2019년 4월 공개된 M87 블랙홀의 모습. M87 블랙홀은 사건지평선망원경(EHT)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀이다. *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 우리나라 연구진이 참여한 국제 공동 연구팀이 인류가 최초로 관측한 블랙홀의 '자기장' 강도를 추정해냈다.

한국천문연구원은 천문연도 함께 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정에 성공했다고 30일 밝혔다. M87 블랙홀은 지난 2019년 사건지평선망원경(EHT)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀이다.

연구팀이 관측한 '제트'는 기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름을 의미한다. 제트는 노즐 같은 구조를 통과하며 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 방출되어 만들어진다. 블랙홀 주변에서는 자기장, 부착원반, 부착원반에서 나오는 방출류 등과 블랙홀의 상호 작용을 통해 강력한 제트 방출 현상이 발생하게 된다.

천문학자들은 블랙홀로부터 방출되는 제트의 형성에는 자기장이 깊게 관여할 것이라 추측하고 있다. 이제까지 제트의 자기장 강도는 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처에서만 제한적으로 추정이 가능했는데, 블랙홀로부터 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 추정한 것은 이번이 처음이다.

이번 연구에는 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(KVN)과 일본국립천문대의 일본우주전파관측망(VERA Array)이 공동으로 운영하는 7개의 전파망원경으로 구성된 한일공동 우주전파관측망(KaVA)을 활용했으며, 22㎓와 43㎓ 주파수대로 준동시 관측했다.

이를 통해 연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내 플라즈마가 냉각되는 싱크로트론 복사냉각 현상을 분석해 자기장 강도를 추정하는 데 성공했다.

복사냉각은 특정 물체가 복사열을 흡수하는 양보다 방출하는 양이 많아 기온이 내려가는 현상이다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례하므로, 서로 다른 주파수대(22㎓, 43㎓)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다.

M87에서 뿜어져 나온 제트의 복사냉각 분포도. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 비례하므로, 서로 다른 주파수대(22㎓, 43㎓)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다. 색이 푸른 계열일수록 플라즈마가 방사 냉각에 의해 더 많이 냉각되었음을 나타내며 붉은 계열일수록 덜 냉각되었음을 의미한다. (사진=천문연 제공) *재판매 및 DB 금지

22㎓대와 43㎓대로 관측한 M87 제트 영상을 조합해 나타낸 복사냉각 분포도. 22㎓대와 43㎓대로 관측한 M87 제트 영상을 조합하여 복사냉각 분포도를 나타낸 이미지다. 22㎓ 대역은 제트의 플라즈마가 비교적 덜 냉각된 부분을, 43㎓ 대역은 방사 냉각에 의해 플라즈마가 더 많이 냉각된 부분을 보여준다. 제일 하단 그림에서 색이 푸른 계열일수록 플라즈마가 방사 냉각에 의해 더 많이 냉각되었음을 나타내며 붉은 계열일수록 덜 냉각되었음을 의미한다. (사진=천문연 제공) *재판매 및 DB 금지

분석 결과 블랙홀로부터 약 2~10광년(약 900~4500 슈바르츠실트 반지름) 떨어진 거리에서 제트의 자기장 강도가 0.3에서 1가우스(Gauss)로 추정됐다.

이는 M87 제트의 자기장이 블랙홀 중심부에서부터 약 10광년의 거리까지 방출되는 동안 다른 외부 요인으로 인해 크게 소실되지 않았음을 의미한다. 지구 자기장의 크기는 약 0.2 가우스~ 0.65 가우스 수준이다.

이번 연구 논문의 제1 저자인 노현욱 천문연 박사는 "KaVA 준동시 관측을 통해 초대질량블랙홀 중심부에서 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 파악할 수 있었다"며 "를 통해 제트 자기장의 전반적인 분포를 파악하고 기존 제트 이론 연구와 비교해 제트 형성 기작을 검증해나갈 것"이라고 말했다.

손봉원 천문연 박사는 "여러 주파수 VLBI 관측의 비교 분석은 제트의 물리적 특성을 이해하는 데 중요한 연구 기법"이라며 "블랙홀 연구는 여러 주파수대 동시 관측이 가능한 한국우주전파관측망(KVN)의 장점을 살릴 수 있는 분야라 앞으로도 지속적인 공동 연구와 성과를 예상한다"고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 국제 학술지인 '천문학 및 천체물리학 (Astronomy & Astrophysics)' 5월24일자에 게재됐다.

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