지구로부터 5천500만 광년 거리..질량 태양의 65억배 달해
세계 각지 전파망원경 연결한 ‘사건지평선망원경 프로젝트’ 성과
“일반상대성이론에 대한 궁극적 증명..천문학 역사상 매우 중요한 발견”
세계 최초로 초대질량 블랙홀 모습이 공개됐다.
국내 천문학자를 포함한 사건지평선망원경(EHT·Event Horizon Telescope) 연구진은 거대은하 ‘M87’ 중심부에 있는 블랙홀 관측에 성공했다고 10일 밝혔다.
EHT는 블랙홀 영상을 포착하기 위해 국제협력을 통해 구축한 지구 크기의 거대한 가상 망원경이다.
세계 각지의 전파망원경을 연결하는 방식으로 프로젝트를 진행했다.
관측 결과는 이날 미국 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 특별판에 6편의 논문으로 발표됐다.
관련 영상은 처녀자리 은하단 중심부에 존재하는 ‘M87’ 중앙 블랙홀을 보여준다.
학술적으로 블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없는 강한 중력을 가지고 있다.
이름처럼 흔히 검은 구멍을 상상하지만, 빛까지 흡수하기 때문에 직접 볼 수는 없었다.
그간의 블랙홀 이미지는 이론을 바탕으로 한 예측 모델이다.
사건지평선은 블랙홀 안과 밖을 연결하는 지대를 뜻한다.
블랙홀은 사건지평선 바깥을 지나가는 빛도 휘어지게 만든다. 할리우드 영화 ‘인터스텔라’에 비슷한 이미지가 표현됐다.
블랙홀 뒤편에 있는 밝은 천체나 블랙홀 주변에서 내뿜는 빛은 왜곡돼 블랙홀 주위를 휘감는다.
왜곡된 빛은 우리가 볼 수 없는 블랙홀을 비춰 윤곽이 드러나게 하는데, 이를 ‘블랙홀의 그림자'(Black Shadow)라고 부른다.
연구진은 여러 번의 관측자료 보정과 영상화 작업을 통해 고리 형태 구조와 중심부 어두운 지역, 즉 블랙홀 그림자를 발견했다.
M87 사건지평선은 약 400억㎞에 걸쳐 드리워진 블랙홀 그림자보다 2.5배가량 더 작다는 것을 밝혀냈다.
EHT 과학이사회 위원장인 네덜란드 래드버드 대 하이노 팔크 교수는 “만약 블랙홀이 밝게 빛나는 가스로 이뤄진 원반 형태의 지역에 담겨 있다면, 그림자 같은 어두운 지역을 만들어 낼 것이라고 예측했다”며 “이 현상은 아인슈타인 일반상대성이론에서 예상한 바지만, 우리가 이전에는 전혀 직접 보지 못한 것”이라고 말했다.
관측에 성공한 블랙홀은 지구로부터 5천500만 광년 떨어져 있다.
질량은 태양의 65억 배에 달한다. 태양 1개의 질량이 지구 33만2천여개 질량과 맞먹는 걸 고려하면 가늠하기조차 어려울 정도다.
EHT 프로젝트 총괄 단장인 미국 하버드 스미스소니언 천체물리센터 셰퍼드 도엘레만 박사는 “우리는 인류에게 최초로 블랙홀 모습을 보여주게 됐다”며 “이 결과는 천문학 역사상 매우 중요한 발견이며, 200명이 넘는 과학자 협력으로 이뤄진 이례적인 성과”라고 강조했다.
실제 관측은 2017년 4월 5∼14일 6개 대륙 8개 망원경 참여를 통해 진행했다.
아타카마 밀리미터·서브밀리미터 전파간섭계(ALMA)와 아타카마 패스파인더(APEX), 유럽 국제전파천문학연구소(IRAM) 30m 망원경, 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT), 대형 밀리미터 망원경(LMT), 서브밀리미터 집합체(SMA), 서브 밀리미터 망원경(SMT), 남극 망원경(SPT) 등이다.
지구 자전을 이용해 영상을 합성하는 기술이 도입됐다.
1.3㎜ 파장 대역에서 하나의 거대한 지구 규모 망원경이 구동되는 셈이다.
EHT의 공간분해 성능은 프랑스 파리의 카페에서 미국 뉴욕의 신문 글씨를 읽을 수 있는 정도라고 한국천문연구원 측은 설명했다.
EHT 연구진은 같은 시각에, 서로 다른 망원경을 통해 들어온 블랙홀 전파신호를 컴퓨터로 통합 분석한 뒤 이를 역추적했다.
원본 데이터를 최종 영상으로 바꾸는 데 필요한 연구는 독일 막스 플랑크 전파천문학연구소와 미국 매사추세츠공대(MIT) 헤이스택 관측소에 있는 슈퍼컴퓨터를 활용했다.
우리나라에선 한국천문연구원·과학기술연합대학원대학교·서울대·연세대 등에서 8명이 프로젝트에 힘을 보탰다.
한국우주전파관측망(KVN)과 동아시아우주전파관측망(EAVN)도 이번 연구에 이바지했다.
한국천문연구원 손봉원 박사는 “아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 궁극적인 증명”이라며 “그간 가정했던 블랙홀을 실제 관측해 연구하는 시대가 왔음을 의미한다”고 말했다.
이번 연구 성과 관련 기자회견은 벨기에 브뤼셀, 덴마크 링비, 칠레 산티아고, 중국 상하이, 일본 도쿄, 대만 타이베이, 미국 워싱턴 DC 등지에서 동시에 이뤄졌다.
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처음 모습 드러낸 블랙홀, 아인슈타인 당신이 옳았어요
한국 등 20개 연구기관, 전파망원경 8개 동시가동해 인류 첫 관측
블랙홀, 빛까지 빨아들여… 주변 회전하는 물질 통해 형태 확인
빛조차 빠져나오지 못하는 우주의 심연(深淵) 블랙홀(black hole)이 사상 처음으로 인류에게 모습을 드러냈다. 블랙홀은 사물을 끌어당기는 힘인 중력이 엄청나게 강해 모든 물질을 빨아들이는 천체다. 영화 ‘인터스텔라’ 등에서 묘사한 블랙홀은 물리학 이론을 근거로 컴퓨터로 합성한 모습이지 실제 영상은 아니었다. 이번에 공개된 블랙홀 모습은 100년 전 아인슈타인이 상대성이론으로 예측한 것과 완벽하게 들어맞았다.
5500만 광년 거리, 지름 160억㎞ 블랙홀 – 사건 지평선 망원경(EHT) 국제공동연구진이 10일 처녀자리 은하 중심에 있는 M87 블랙홀의 사진을 공개했다. 가운데 검은 구멍에 블랙홀이 있다. 강력한 중력에 의해 휘어진 빛이 만든 ‘블랙홀의 그림자’는 지름이 약 400억㎞이고, 실제 블랙홀 지름은 160억㎞이다. 블랙홀 주변의 밝은 빛은 블랙홀로 빨려 들어가며 회전하는 물질에서 나왔다. 아래쪽이 지구로 향하고 있어 더 밝게 관측된다. /EHT
한국천문연구원 등 전 세계 연구 기관 20여곳이 참여한 국제 공동 프로젝트 ‘사건 지평선 망원경(EHT)’은 10일 국제 학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’에 “2017년 4월 남극, 안데스산맥 등 전 세계 8곳에 있는 전파망원경이 처녀자리 은하단의 한가운데에 있는 M87 블랙홀을 동시에 관측해 그 모습을 처음으로 확인했다”고 밝혔다. M87 블랙홀은 지구에서 5500만 광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어져 있으며 질량은 태양의 65억배에 이른다.
◇아인슈타인의 상대성이론 예측과 일치
이날 EHT가 공개한 블랙홀 영상은 한쪽이 밝게 빛나는 초승달 모양이다. 이는 블랙홀 자체가 아니라 그 주변을 엄청난 속도로 회전하고 있는 물질에서 나온 빛이다. 이 물질과 블랙홀 경계면이 바로 이번 프로젝트 이름이기도 한 ‘사건 지평선(event horizon)’이다. 물질들이 이곳을 넘어 블랙홀로 빠지면 영원히 돌아 나오지 못한다.
블랙홀은 18세기에 처음 제시된 개념이지만, 과학 연구 대상이 된 것은 1915년 아인슈타인의 일반상대성이론 덕분이다. 아인슈타인은 천체가 너무 무거우면 자체 중력에 스스로 급격하게 수축한다고 주장했다. 바로 블랙홀이 되는 것이다. 지구 정도 질량이 블랙홀이 되면 지름이 1㎝로 수축된다.
연구진은 빛이 나오지 않는 블랙홀을 직접 관측하는 대신 블랙홀의 윤곽인 ‘그림자’를 관측하는 방법을 택했다. 블랙홀은 중력이 워낙 강해 주변의 시공간(時空間)을 휘게 한다. 볼링공이 떨어져 매트리스가 움푹 들어가는 것을 연상하면 된다. 시공간이 휘면 블랙홀 뒤쪽을 도는 물질에서 나오는 빛도 앞으로 휘어져 나온다. 이렇게 블랙홀을 앞뒤로 둘러싼 물질을 다 확인하면 블랙홀 윤곽이 드러난다. 이를테면 보자기가 감싸고 있는 모양을 보고 그 안의 물체가 어떻게 생겼는지 아는 것과 같다. 영상에서 블랙홀의 한쪽이 밝게 보이는 것도 특이한 현상이다. 사건 지평선에 다가간 물질은 빛에 가까운 속도로 공전하며 블랙홀로 끌려 들어간다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면 이렇게 회전하는 물질의 원반 중 지구를 향해 움직이는 부분은 지구에서 멀어지는 부분보다 더 밝게 보인다. 구급차가 가까이 올수록 사이렌 소리가 커지고 지나치면 소리가 작아지는 것과 같은 원리다.
결국 이번에 공개된 영상은 블랙홀에 대한 아인슈타인의 생각이 옳았음을 입증한 것이다. 아인슈타인의 일반상대성이론은 1919년 개기일식 때 태양 주위를 지나는 빛이 휘는 것을 관측해 처음으로 실험적으로 입증됐다. 100년 만에 블랙홀을 통해 아인슈타인의 천재성이 재확인된 셈이다. 지난해 세상을 떠난 영국의 천체물리학자 스티븐 호킹은 블랙홀이 별들의 최후일 뿐 아니라 우주가 탄생한 시작점이기도 하다는 이론을 폈다. 블랙홀을 이해하면 우주의 시작과 끝을 모두 파악할 수 있는 것이다.
◇전 세계 8곳 전파망원경 동원
EHT 연구진은 이번에 전 세계 8곳의 전파천문대를 총동원했다. 과학자들은 블랙홀에서 나온 전파가 지구까지 도달하려면 파장이 1.3㎜ 정도여야 한다고 계산했다. 이 파장대의 전파를 포착하려면 전파망원경 지름이 지구만 해야 한다. EHT는 전 세계에 흩어진 전파망원경을 동시에 가동해 지구만 한 망원경과 같은 효과를 냈다. 정밀도는 파리의 카페에 앉아 뉴욕의 신문 글자를 읽을 수 있는 정도라고 연구진은 설명했다. EHT 프로젝트 총괄 단장인 셰퍼드 도엘레만 박사(하버드 스미스소니언 천체물리연구센터)는 이날 “세계 최고 성능의 전파망원경들을 서로 연결해 한 세기 전만 해도 불가능하리라 여겼던 일을 이뤄냈다”고 밝혔다.
천문연구원, 서울대 등 국내 연구기관의 과학자 8명도 이 프로젝트에 참여했다. 천문연구원 손봉원 박사는 “이번 결과는 아인슈타인의 상대성이론에 대한 궁극적 증명이며, 블랙홀을 실제 관측해 연구하는 시대가 도래했음을 의미한다”고 말했다.
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Black hole pictured for first time — in spectacular detail
The Event Horizon Telescope’s global network of radio dishes has produced the first-ever direct image of a black hole and its event horizon.
Astronomers have finally glimpsed the blackness of a black hole. By stringing together a global network of radio telescopes, they have for the first time produced a picture of an event horizon — a black hole’s perilous edge — against a backdrop of swirling light.
“We have seen the gates of hell at the end of space and time,” said astrophysicist Heino Falcke of Radboud University in Nijmegen, the Netherlands, at a press conference in Brussels. “What you’re looking at is a ring of fire created by the deformation of space-time. Light goes around, and looks like a circle.”
The images — of a glowing, ring-like structure — show the supermassive black hole at the centre of the galaxy M87, which is around 16 megaparsecs (55 million light years) away and 6.5 billion times the mass of the Sun. They reveal, in greater detail than ever before, the event horizon — the surface beyond which gravity is so strong that nothing that crosses it, even light, can ever climb back out.
The highly anticipated results, comparable to recognizing a doughnut on the Moon’s surface, were unveiled today by the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration in six simultaneous press conferences on four continents. The findings were also published in a suite of papers1,2,3,4,5 in Astrophysical Journal Letters on 10 April.
The image is a “tremendous accomplishment”, says astrophysicist Roger Blandford of Stanford University in California. “When I was a student, I never dreamt that anything like this would be possible,” he says. “It is yet another confirmation of general relativity as the correct theory of strong gravity.”
“I was so delighted,” says Andrea Ghez, an astronomer at the University of California, Los Angeles. The images provide “clear evidence” of a ‘photon ring’ around a black hole, she says.
Black–hole predictions
Nearly a century ago, physicists first deduced that black holes should exist from Albert Einstein’s general theory of relativity, but most of the evidence so far has been indirect. The EHT has now made a new, spectacular confirmation of those predictions.
The team observed two supermassive black holes — M87’s and Sagittarius A*, the void at the Milky Way’s centre — over five nights in April 2017. They mustered enough resolution to capture the distant objects by linking up eight radio observatories across the globe — from Hawaii to the South Pole — and each collected more data than the Large Hadron Collider does in a year (see ‘Global effort’). It took two years of work to piece the pictures together.
After combining the observatories’ data, the team started analysis in mid-2018. They quickly realized that they could get a first, clean picture from M87. “We focused all our attention on M87 when we saw our first results because we saw this is going to be awesome,” says Falcke.
At the Brussels press conference, astrophysicist Monika Moscibrodzka, also at Radboud, said that the measurements so far are not precise enough to measure how fast the M87 hole spins — a crucial feature for a black hole. But it indicates the direction in which it’s spinning, which is clockwise in the sky, she said. Further studies could also help researchers understand how the black hole produces its gigantic jets.
The teams will also now turn their attention to the Sagittarius A* data. Because Sagittarius A* is nearly 1,000 times smaller than the M87 black hole, matter orbited it many times during each observing session, producing a rapidly changing signal rather than a steady one, says Luciano Rezzolla, a theoretical astrophysicist at the Goethe University Frankfurt and a member of the EHT team. That makes the data is more complicated to interpret, but also potentially richer in information.
Event horizons are the defining feature of black holes. To a nearby observer, an event horizon should appear as a spherical surface shrouding its interiors from view. Because light can cross the surface only one way — inwards — the globe should look completely black.
A black hole’s event horizon should appear five times larger than it is, because the hole warps the surrounding space and bends the paths of light. The effect, discovered by physicist James Bardeen at the University of Washington in Seattle in 1973, is similar to the way that a spoon looks larger when dipped in a glass of water. Moreover, Bardeen showed that the black hole would cast an even larger ‘shadow’. This is because within a certain distance of the event horizon, most light rays bend so much that they effectively orbit the black hole.
Earth-sized telescope
To actually resolve details on the scale of the event horizon, radio astronomers calculated that they would need a telescope the size of Earth (a telescope’s resolution is also proportional to its size). Fortunately, a technique called interferometry could help. It involves multiple telescopes, located far apart from one another and pointed at the same object simultaneously. Effectively, the telescopes work as if they were shards of one big dish.
Various teams around the world refined their techniques, and retrofitted some major observatories so that they could add them to a network. In particular, a group led by Shep Doeleman, now at Harvard University in Cambridge, Massachusetts, adapted the 10-metre South Pole Telescope and the US$1.4-billion Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile to do the work.
In 2014, Falcke, Doeleman and groups from around the world joined forces to form the EHT collaboration. They did their first Earth-spanning observation campaign in 2017. They observed Sagittarius A* and M87 during a two-week window in April when the locations of the observatories are most likely to get good weather simultaneously.
The raw data, which ran into petabytes, were collected on hard disks and travelled by air, sea and land to be compiled at the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germany and the Massachusetts Institute of Technology’s Haystack Observatory.
Last year, while the data were still being processed, Falcke told Naturethat he expected the experiment to gather a wealth of information about the structure of the black holes, but not yet a pretty picture. At best, it would resemble “an ugly peanut”, he said. “Or maybe, the first image will be just a few blots. It may not even resemble a peanut.”
The EHT ran another observing campaign in 2018 — the analysis of those data is still in the works — but cancelled a planned observation campaign this year because of security issues near one of its most important sites, the 50-metre LMT Large Millimeter Telescope in Puebla, Mexico. They plan to continue to do observations once a year starting in 2020.
The collaboration is now looking for funding to establish a foothold in Africa, which would fill in a major gap in the network. The plan is to relocate a 15-metre dish — a decommissioned Swedish telescope — from Chile to the Gamsberg Table Mountain in Namibia. For now, the network has already secured two major additions: a dish in Greenland and an array in the French Alps.
An expanded EHT network could provide detail on what happens inside the voids — “how the world behaves inside black holes, and if it is as we expected it to be”, says David Sánchez Argüelles, a physicist at the Large Millimeter Telescope.
“It was a great sense of relief to see this, but also surprise,” says Doeleman of the results. “You know what I was really expecting to see? A blob. To see this ring is probably the best outcome that we could have had.”
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