[영상]블랙홀은 팽이처럼 돈다…韓연구진 아인슈타인 이론 입증

[우주다방] M87 블랙홀 세차운동, 11년 주기로 발생…블랙홀 회전 증거 최초확인

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한국천문연구원·서울대·경희대 등이 포함된 국제 공동연구팀이 규명한 'M87 초대질량 블랙홀 제트의 세차운동' 모습. 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀의 회전운동을 입증한 건 이번이 처음이다. 연구팀은 23년간 확보한 데이터와 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 등을 통해 회전운동 모습을 구현했다. / 영상=한국천문연구원

한국을 포함한 국제 공동연구팀이 블랙홀은 팽이처럼 흔들리며 회전한다는 사실을 최초 규명했다. 천체물리학계 주요 난제이자 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론 일부를 입증한 결과다. 이번 연구는 23년간 국내 연구팀 주도로 확보한 블랙홀 데이터와 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션 등을 활용해 의미가 더 크다.

손봉원 한국천문연구원 전파천문본부 책임연구원 등 국제 공동연구팀은 28일 국제학술지 네이처(Nature)에 'M87 초대질량 블랙홀 제트의 세차운동이 11년 주기로 일어난다'는 논문을 발표했다. 이번 연구는 전 세계 45개 기관, 연구자 79명이 참여했으며 천문연·서울대·경희대 등 국내 연구자 23명이 기여했다.

블랙홀은 검은(Black) 구멍(Hole)이라는 말로, 강한 중력에 의해 빛조차 빠져나올 수 없는 '검은 천체'를 의미한다. 별이나 은하는 빛을 방출해 관측할 수 있지만 블랙홀은 빛을 흡수해 직접 볼 수 없다. 이에 전 세계 전파천문학자들은 전파망원경 11개를 하나로 연동해 지구 크기의 거대 망원경처럼 활용하고 있다.

이중 초대질량 블랙홀은 우주에서 발견되는 가장 강력한 천체 중 하나다. 엄청난 크기의 중력으로 모든 물질을 빨아들이고, 그 과정에서 플라스마 제트(물질이 고속 분출하는 상태)를 광속에 가까운 속도로 분출한다고 알려졌다. 하지만 초대질량 블랙홀이 어떤 메커니즘으로 제트를 방출하고 그 모습은 어떤지 등이 규명되거나 관측되지 않았다.

블랙홀의 세차운동 모습. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 세차운동의 존재는 M87 블랙홀이 실제 회전하고 있다는 증거다. / 사진=한국천문연구원

연구팀은 2000년부터 현재까지 초장기선 전파간섭계(VLBI)를 비롯해 △동아시아우주전파관측망 △초장기선어레이 △한일 공동 우주전파관측망 △동아시아-이탈리아 우주전파관측망을 통해 블랙홀 관측 자료를 확보했다. 이어 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 연구와 대규모 데이터를 하나로 합성하는 연구를 수행했다.

그 결과 M87 초대질량블랙홀 제트의 방출이 11년 주기를 가지고 일어나는 사실을 확인했다. 특히 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란히 있지 않아 제트의 세차운동이 발생했다. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 세차운동의 존재는 M87 블랙홀이 실제 회전하고 있다는 증거다.

이번 연구에서 천문연은 한국우주전파관측망(KVN)을 활용해 대부분의 관측에 참여했다. 천문연의 한일공동상관센터(KJCC)는 연구에 사용된 총 170개 데이터 중 123개를 상관처리했다. 상관처리는 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파자료를 한 곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정을 일컫는다. 이 단계를 거쳐야만 영상 데이터를 최종적으로 얻을 수 있다.

이번 연구는 회전하는 블랙홀 고유의 중력효과인 '틀 끌림 현상'을 규명한 점도 의미가 크다. 이 현상은 블랙홀처럼 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 중력 효과로 주변 시공간도 블랙홀의 회전을 따라 회전한다는 이론이다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 현상이다.

노현욱 천문연 박사후연구원은 "우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체를 오랜기간 지속 관측할 수 있었다"며 "이번 연구는 M87 블랙홀이 실제로 회전하고 있다는 사실을 증명해 의미가 더 값지다"고 했다.

이번 연구에는 한국 연구진을 포함해 일본국립천문대, 중국 저장연구소 등의 연구자들이 참여해 '한중일 협력' 의미를 더했다.

참고자료
Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06479-6

김인한 기자 science.inhan@mt.co.kr