[아하! 우주] 블랙홀 중력보다 더 강력한 자기장 사상 첫 발견

[서울신문 나우뉴스]

나선형 선이 블랙홀 주변 자기장 편광 방향을 보여준다. 2019년 블랙홀의 첫 이미지가 공개된 후 천문학자들은 블랙홀의 새로운 편광된 모습을 포착했다.사진=EHT Collaboration

블랙홀 주변에서 블랙홀의 흡입력보다 더 강력한 자기장이 발견되었다. 사건지평선 망원경(EHT) 국제공동연구팀은 M87 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 편광 관측 영상을 24일 최초로 공개했다.

인류 역사상 최초로 관측한 블랙홀 이미지가 공개된 후, 천문학자들은 다시 한번 블랙홀에 관한 놀라운 이미지를 잡아냈다. 블랙홀 주변을 감싸고 있는 강력한 자기장을 발견한 것이다. 이 작업은 거대한 천체에 대한 새로운 시각을 제공하는 것으로, 자기장이 블랙홀 근처에서 어떻게 거동하는지 알아낼 수 있는 실마리를 찾아줄 것으로 기대된다.

블랙홀은 빛까지도 탈출할 수 없는 강력한 중력을 가진 불가사이한 천체로, 주위의 모든 물질을 빨아들이며 시공간마저 일그러뜨린다. M87 내 초대질량 블랙홀은 태양보다 65억 배 더 무거운 것으로 알려져 있다. 블랙홀의 중력에 사로잡혀 빨려들어가는 물질 일부는 제트(가스 폭풍) 형태로 우주공간으로 방출된다. 흡입 방향과 반대로 작용하는 힘이 있다는 뜻인데, 그동안 이 과정이 베일에 싸여 있었다.

2019년, EHT 국제공동연구팀은 지구에서 5500만 광년 떨어진 M87 은하 중심에 있는 블랙홀의 이미지를 최초로 잡아내는 데 성공했다. M87은 처녀자리 은하단 중심부의 거대 은하다. 이미지는 블랙홀의 그림자인 어두운 중심이 있는 밝은 링을 보여준다. 이 이미지를 캡처하는 과정에서 천문학자들은 블랙홀 주변에서 상당한 양의 편광을 발견했다. 편광된 빛의 파장은 편광되지 않은 빛에 비해 방향과 밝기가 다르다. 또한 빛이 자화된 뜨거운 공간에서 방출될 때 빛이 편광판을 통과할 때처럼 편광된다.

이처럼 편광된 빛은 자기장이 존재한다는 신호이기 때문에 이 이미지는 블랙홀 고리가 자화되어 있음을 분명히 보여준다. “이는 사건지평선에 아주 근접한 자기장에 의해 블랙홀 고리로부터 방출이 이루어진다는 것을 분명히 보여주는 사례”라고 EHT 편광측정 그룹의 코디네이터 모니카 모스키보로츠카 박사가 밝혔다.

천문학자들이 블랙홀 가장자리 근접한 곳에서 편광을 측정할 수 있었던 것은 이번이 처음으로, 이 블랙홀에 대한 새로운 이미지는 블랙홀의 또다른 놀라운 모습을 드러낸 것일 뿐만 아니라, M87에서 방출되는 강력한 제트에 대한 새로운 정보를 담고 있다. 모스키브로츠카 박사는 “첫 번째 이미지에서는 제트의 강도만 보여주었다”면서 “이제 원본 이미지 위에 편광 정보를 추가로 공개한다”고 설명했다.

M87 은하의 제트를 편광된 빛으로 보여주는 이 이미지는 ALMA가 포착한 것으로, 제트를 따라 자기장의 구조를 드러내주고 있다. 사진=ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Goddi et al.

EHT 이론작업 그룹 코디네이터 제이슨 덱스터 콜로라도대 교수는 “새로운 편광 이미지는 블랙홀 근처의 가스에 관한 많은 정보를 비롯해, 블랙홀이 어떻게 성장하고 제트를 발사하는지에 대한 중요한 과정을 보여준다”며 “M87 블랙홀 주변의 뜨거운 가스 일부는 가장자리 자기장의 압력으로 블랙홀의 중력 에너지를 이기고 밖으로 밀려 제트 형태로 멀리 날아가고, 나머지는 자기장에 끌려 사건지평선으로 나선운동하며 떨어진다”고 밝혔다.

사건지평선은 블랙홀의 안과 밖 경계면을 말한다. 사건지평선을 넘는 순간 어떤 물체도 바깥으로 탈출할 수 없어 이런 이름을 얻었다. 블랙홀 이미지를 잡아낸 사건지평선 망원경(EHT)은 미국 애리조나, 하와이, 칠레, 스페인, 멕시코, 남극 대륙 등 세계 곳곳의 8개 전파망원경으로 지구 규모로 구성한 가상 전파망원경을 말한다. 이 전파망원경으로 2017년 4월 M87 중심부의 블랙홀 이미지를 생성해내는 쾌거를 이룩한 것이다.

EHT 국제연구팀은 한국천문연구원을 비롯해 세계 65개 기관 소속 300여 명의 연구진으로 구성되었으며, 이 연구팀에 참여하는 한국 연구자들 10명은 미국 하와이 소재 제임스클럭맥스웰망원경과 칠레 아타카마 망원경을 이용해 M87 블랙홀 편광 관측 영상을 만드는 데 기여했다.

EHT 한국연구팀을 이끌고 있는 손봉원 천문연 책임연구원은 “연세대, 울산대, 제주 중문에 설치된 전파망원경을 연결한 한국우주전파관측망(KVN)을 토대로 M87 주변 강착원반과 제트 등에 대한 추가 관측을 수행하고 있다”고 밝혔다. 이 연구는 3월 24일(현지시간) ‘천체물리학 저널 회보’에 2개의 논문으로 발표되었다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

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