블랙홀을 볼 수 있는 놀라운 기술과 방법

블랙홀을 볼 수 있는 놀라운 기술과 방법

수수께끼에 다가서다

블랙홀은 본질적으로 눈에 보이지 않지만, 천문학자들은 이전과는 전혀 다른 방식으로 이러한 수수께끼에 접근하고 있습니다. 과학계에 따르면 이들은 주변 환경을 이미지화하는 기술을 개발하고 있는 것으로 전해졌습니다. 전문가들은 몇 년 안에 과학자들이 블랙홀 주변 환경에 대한 최초의 그림을 갖게 될 것이며, 심지어 블랙홀 자체의 이론화된 그림자를 발견할 수도 있을 것이라고 전망했습니다. 큰 블랙홀은 모두 멀리 떨어져 있기 때문에 자세히 보기가 어렵습니다. 가장 가까운 초대질량 블랙홀은 은하수 중심에 거주하는 것으로 추정되는 궁수자리 A*라는 블랙홀로, 약 26,000광년 떨어져 있습니다. 한편 EHT는 미국, 멕시코, 칠레, 프랑스, 그린란드, 남극의 시설을 포함하여 전 세계 망원경의 관측 내용을 단일 망원경으로 얻을 수 있는 것과 동일한 해상도를 가진 하나의 가상 이미지로 결합합니다. 이것은 블랙홀을 그 어느 때보다 더 자세히 이미지화하려는 야심 찬 국제 프로젝트의 첫 번째 목표입니다.

 

달에 있는 자몽만큼

EHT의 팀원이자 버클리 캘리포니아 대학의 천체물리학 이론가인 제이슨 덱스터는 "이것은 정말 전례가 없는 독특한 실험"이라고 말했습니다. 덱스터는 "이것은 블랙홀 근처에서 무슨 일이 일어나는지 이해하기 위해 지금까지 우리가 필요로 했던 것보다 더 직접적인 정보를 제공할 것"이라며, "이 프로젝트는 매우 흥미로우며, 실제로 앞으로 몇 년 안에 놀라운 결과를 제공하기 시작할 것이다"라고 관측했습니다. 지구에서 볼 때 궁수자리 A*는 마치 달에 있는 자몽만큼 커 보입니다. 사건의 지평선 망원경이 완전히 구현된다면 달에 있는 골프공의 크기에 대한 세부 정보를 확인할 수 있을 것입니다. 이는 가스가 블랙홀 내부의 파멸을 향해 나선형으로 돌면서 방출되는 빛을 볼 수 있을 만큼 충분히 가깝습니다.

 

매우 긴 기준선 간섭계

이러한 미세한 해상도를 달성하기 위해 프로젝트에서는 초장기선 간섭계 VLBI라는 기술을 활용합니다. VLBI에서 슈퍼컴퓨터는 사실상 거대한 망원경 렌즈 역할을 합니다. 사건의 지평선 망원경 프로젝트를 이끌고 있는 매사추세츠주 MIT 헤이스택 천문대의 천문학자 셰프 돌먼은 "전 세계에 망원경이 있다면 지구 크기의 가상 망원경을 만들 수 있다"라고 이야기했습니다. 일반적인 망원경에서는 빛이 정밀하게 곡면에서 반사돼 모든 빛이 초점면에 집중됩니다. VLBI는 빛을 동결시켜 캡처하고 기록 시스템에 완벽하게 충실하게 기록하는 방식으로 작동합니다. 이후 데이터를 다시 중앙 슈퍼컴퓨터로 옮기면 캘리포니아, 하와이 및 기타 지역의 빛을 비교하고 합성하는데 이때 렌즈는 MIT의 슈퍼컴퓨터가 됩니다.

 

사건의 지평선 망원경의 이미징 능력은 향후 몇 년 내에 칠레 ALMA 관측소의 64개 전파 접시가 프로젝트에 합류할 때 크게 향상될 것입니다. 돌먼은 "이것은 사건의 지평선 망원경의 감도를 10배 증가시킬 것이며, 무언가를 크게 바꿀 때마다 놀라운 일이 일어난다"라고 강조했습니다. 길이가 매우 긴 베이스라인 간섭계는 약 50년 동안 사용되어 왔지만, 이전까지는 빛의 주파수가 높거나 파장이 짧은 경우가 없었습니다. 이 단파장 빛은 블랙홀을 측정하고 이미지화하는 데 필요한 각도 분해능을 달성하는 데 필요합니다.

 

기술의 거대한 도전

사건의 지평선 망원경을 사용하는 것은 여러 가지 측면에서 엄청난 기술적 도전이었습니다. 전 세계에 퍼져 있는 수많은 망원경의 관측을 조정하기 위해 과학자들은 강력한 슈퍼컴퓨터는 물론이고 전문적인 컴퓨팅 알고리즘을 활용해야 했습니다. 아울러 다양한 관측소 간의 시차를 수용하기 위해서는 매우 정확한 시계가 필요합니다. 남극 망원경이 프로젝트에 참여할 수 있도록 수신기를 구축하고 있는 애리조나 대학교 청지기 천문대의 천문학자 댄 마론은 "우리는 모든 관측소에서 시간을 충분히 잘 지킬 수 있다는 것과 모든 망원경의 감지기가 충분히 좋다는 것, 그리고 두 망원경의 두 신호를 곱하면 소음만 발생하는 것이 아니라는 것을 증명해야 했다"라고 전했습니다. 연구자들은 약 1조 분의 1초에 달하는 정확도로 시간을 유지하기 위해 수소 메이저라고 불리는 원자시계를 사용해 왔습니다. 마론은 "우리는 수소 원자 구조의 이러한 특성을 사용하여 원자 내 전자의 두 상태 사이를 전환하는 근본적인 시간 기준을 생성한다"라고 설명했습니다. 이들은 신중한 설계를 통해 매우 정밀한 발진기를 만들 수 있는 저주파 신호를 생성하며, 이는 짧은 시간 동안 매우 완벽한 발진을 만듭니다. 이것은 모두 시간을 매우 잘 유지하므로 해당 기간 동안 데이터의 평균을 낼 수 있음을 의미합니다.

 

일반 상대성 이론 테스트

과학자들은 사건의 지평선 망원경이 전례 없는 데이터를 수집하면 이를 통해 우주에서 가장 극단적이고 기괴한 물체 중 하나인 블랙홀의 이상한 물리학을 더 잘 이해할 수 있기를 기대하고 있습니다. 은하수 중심에 있는 블랙홀은 약 400만 개의 태양의 질량을 담고 있는 것으로 추정되며, 이 모든 것은 이해할 수 없을 정도로 작은 영역에 담겨 있습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 드문 테스트를 제공하는 초강력 밀도는 매우 극단적인 중력을 생성해야 합니다. 돌먼은 "사건의 지평선 망원경은 블랙홀 자체의 가장자리에서 방출을 관찰할 것"이라고 봤습니다. 돌먼에 따르면 그곳은 중력이 너무 강해 빛이 휘어집니다. "당신이 보는 구조가 강한 중력에 의해 지배되는 지역"이라고 설명한 돌먼은 "당신이 보고 있는 것을 이해하려면 아인슈타인이 절대적으로 필요한 곳이다. 그곳은 곧 극한의 실험실이 된다"라고 덧붙였습니다.

 

과학자들이 대답하기를 희망하는 한 가지 질문은 일반 상대성 이론이 예측한 대로 블랙홀이 실제로 사건의 지평선을 가지고 있는지에 대한 것입니다. 돌아올 수 없는 지점을 표시하는 사건의 지평선은 블랙홀 주변의 이론화된 경계로 이곳에서는 물질, 심지어는 빛마저도 탈출할 수 없습니다. 천문학자들은 일반 상대성 이론을 바탕으로 "사건의 지평선이 존재한다면 블랙홀에 그림자, 즉 빛이 삼켜진 어두운 영역이 있을 것"이라고 예측합니다. 덱스터는 "만약 블랙홀이 그림자를 생성한다면, 사건의 지평선 망원경은 앞으로 몇 년 안에 궁수자리 A*에서 그림자를 볼 수 있을 것"이라고 말을 얹었습니다. 덱스터는 "이는 지금까지 발견된 가장 극단적인 일반 상대론적 효과일 것이다"라고 첨언했습니다.

 

엑스레이 블랙홀

사건의 지평선 망원경이 전파 파장의 블랙홀을 관찰하는 동안 블랙홀 천문학의 또 다른 개척지는 X선 체제에 있습니다. 블랙홀로 떨어지는 가스는 전자기 스펙트럼에 걸쳐 빛을 방출하지만, 사건의 지평선에 가장 가깝게 소용돌이치는, 가장 뜨겁고 에너지가 풍부한 가스는 X선 빛에서 볼 수 있습니다. 이 빛은 지구 대기권 너머 나사의 찬드라 천문대를 비롯해 NuSTAR 망원경, 유럽의 XMM-뉴턴 천문대, 일본의 수자쿠 망원경 등 일부 우주 망원경에서만 볼 수 있습니다. 이러한 관측은 사건의 지평선 망원경처럼 블랙홀 주변을 직접적으로 이미징하는 것이 아니라 X선 빛을 구성 색상 또는 파장으로 분해해 극한 환경에서 가스에 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 단서를 찾는 것입니다.

 

X선 관측을 사용하여 블랙홀의 회전을 연구하는 메릴랜드 대학교의 천문학자 크리스 레이놀즈는 "물리학이 너무 극단적이기 때문에 블랙홀이 회전하면 실제로 주변 시공간이 뒤틀리고 블랙홀 주위를 도는 가스에 미치는 영향을 볼 수 있다"라고 전했습니다. 다양한 파장의 블랙홀을 연구하고 있는 연구자들은 이 이상한 우주 물체에 대한 더 완전한 이해를 쌓기를 기대합니다. 레이놀즈는 "가스가 블랙홀에 떨어지면서 망원경은 보려고 하는 전파를 방출하고 엑스레이도 생성한다"라고 설명했습니다. 이는 유입되는 가스의 특성에 대한 매우 보완적인 관점을 제공합니다. 레이놀즈는 "사건의 지평선 망원경은 매우 가까운 결과를 눈앞에 두고 있으며, 우리 모두는 그것을 기대하고 있다"라고 덧붙였습니다.