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- 블랙홀의 첫 번째 사진은 약 5,500만 광년 떨어진 초거대 블랙홀 M87*, 2019년에 알려져
- 전 세계에 퍼져 있는 20개 이상의 전파 망원경이 중력 거인과 제트를 반복적으로 확인
- 블랙홀의 제트는 시간이 지남에 따라 방향이 바뀌고 앞뒤로 약 10도 정도 변동
- 제트 세차 운동의 발견은 초대질량 블랙홀 M87*이 회전하고 있다는 분명한 증거

블랙홀도 여전히 ​​​​회전한다!
천문학자들은 거대 블랙홀의 회전을 처음으로 감지했다.

천문학자들은 블랙홀의 첫 번째 사진을 제공한 중력 거인에서 거대한 블랙홀의 회전에 대한 최초의 직접적인 증거를 달성했다. 따라서 M87*은 팀이 "Nature"에서 보고한 것처럼 자기 주위를 회전하고 회전하는 물질 디스크와 약간의 각도를 이루고 있다. 천문학자들은 블랙홀에서 나오는 제트의 규칙적인 진자운동을 바탕으로 이를 발견했다. 

▲ 블랙홀이 회전하고 그 축이 주변 물질 디스크에 대해 약간 기울어지면 디스크가 흔들리고 결과적으로 블랙홀의 제트 제트도 앞뒤로 진동한다. 천문학자들은 이제 처음으로 이것을 정확히 증명했다. © Yuzhu Cui 외. 2023/ Intouchable Lab@Openverse 및 Zhejiang Lab

블랙홀의 첫 번째 사진은 약 5,500만 광년 떨어진 초거대 블랙홀 M87*이다. 2019년에 세계적으로 유명해졌다. 이 사진은 태양 질량이 65억 개에 달하는 이 거인의 밝은 빛 고리와 어두운 그림자를 인상적으로 보여주었다. 잠시 후, 천문학자들은 알베르트 아인슈타인이 예측한 광자 고리, 사건 지평선의 흔들림, 멀리 우주로 발사되는 방사선과 입자의 제트를 포함하여 더 자세한 내용을 관찰했다.

회전하는가 아닌가?

그러나 한 가지 질문은 아직 풀리지 않았다. 거대한 블랙홀이 회전하는가, 아니면 회전하지 않는가? 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 둘 다 가능하지만, 블랙홀의 회전은 아직 관측을 통해 직접적으로 입증되지 않았다. 이유는 블랙홀 자체는 눈에 보이지 않으며 사건의 지평선 주위를 빠르게 도는 강착 원반의 움직임으로 인해 가능한 회전을 직접 감지하는 것이 거의 불가능하다.

"첫 번째 사진이 성공한 후 천문학자들의 핵심 질문은 블랙홀 M87*이 회전하는지 여부였다"라고 일본 국립 천문대(National Astronomical Observatory)의 하다 카즈히로(Kazuhiro Hada)는 설명한다. 이론적 모델은 그러한 블랙홀의 제트가 회전으로 인해 발생한다고 제안한다. 따라서 블랙홀 자체의 회전은 회전하는 강착 원반의 강한 자기장을 가속화한다. 이는 대량의 입자와 에너지(제트)를 방출하여 방출되는 장력을 생성한다.

▲ 이것은 M87*을 보여주는 블랙홀의 첫 번째 사진이었다. © Event Horizon Telescope (EHT)

진자 주기를 하는 제트

이 이론을 테스트하기 위해 항저우 저장 연구소의 Yuzhu Cui가 이끄는 국제 천문학자 팀은 22년 동안 블랙홀 M87*을 모니터링했다. 전 세계에 퍼져 있는 20개 이상의 전파 망원경이 중력 거인과 제트를 함께 반복적으로 목표로 삼았다. 이를 통해 처음으로 이 입자와 방사 원뿔의 장기적인 변화를 분석하는 것이 가능해졌다.

관측 결과, 블랙홀의 제트는 시간이 지남에 따라 방향이 바뀌고 앞뒤로 약 10도 정도 변동하는 것으로 나타났다. 천문학자들의 판단에 따르면 이러한 진자 주기는 약 11.24년 동안 지속된다. 이 규칙적인 세차 운동은 제트 기저부에서의 과정과 강착 원반과 블랙홀 사이의 상호 작용에 대한 보다 정확한 통찰력을 처음으로 제공하며, 천문학자들이 보고한 바와 같이 제트 형성의 엔진으로서의 회전에 대한 일반적인 이론을 확인시켜 준다.
기울어진 축

“이 제트 세차 운동의 발견은 초대질량 블랙홀 M87*이 실제로 회전하고 있다는 분명한 증거를 제공한다”고 Cui와 그의 동료들은 보고했다. 이러한 제트 진동은 블랙홀의 회전이 0에서 벗어나는 경우에만 가능하다. 특히 관측 데이터와 보완 모델을 분석한 결과 블랙홀의 회전축이 주변 물질 원반의 평면에 대해 약간 기울어져 있는 것으로 나타났다.

서로에 대해 회전하는 두 구성 요소의 기울어짐은 제트의 베이스를 흔들리게 하는 힘을 생성하여 주기적으로 방향을 변경한다. 천문학자들에 따르면, 블랙홀의 빛 고리의 불규칙한 밝기 분포도 이러한 정렬 불량으로 인한 것일 수 있다. “블랙홀과 원반 사이의 불일치는 상대적으로 작기 때문에 그것을 보여주기 위해서는 20년에 걸친 고해상도 데이터와 관측이 필요했다”고 Cui는 말했다.

▲ M87* 제트의 위치 변경(위)과 이 세차 운동의 재구성. © Yuzhu Cui 외, 2023

블랙홀의 회전에 대한 최초의 직접적인 증거

관측 결과에 따르면 블랙홀 M87*이 회전하고 있는 것으로 나타났다. 이는 그러한 회전에 대한 최초의 직접적인 증거다. Ciu는 "우리는 이 발견에 대해 매우 기쁘게 생각한다"고 말했다. 동시에, 이는 활성 블랙홀의 회전이 물질 디스크의 거동에 영향을 미치고 제트 형성으로 이어질 수 있음을 확인시켜 준다. Hada는 “우리의 의심은 이제 확실성으로 바뀌었다. 이 거대한 블랙홀은 실제로 회전하고 있다”고 말했다.

그러나 아직 모든 질문에 답변된 것은 아니다. 천문학자들은 블랙홀 M87*이 축을 중심으로 얼마나 빨리 회전하는지 아직 파악하지 못했다. 그리고 사건의 지평선 주변의 강착원반의 하부 구조는 여전히 불분명하다. 팀은 M87*에 대한 추가 관찰을 통해 이러한 질문에 답할 수 있기를 바라고 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06479-6)
출처: National Astronomical Observatory of Japan, Chinese Academy of Sciences Headquarters

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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