초대질량 블랙홀의 그림자와 빛의 고리 구조를 분석한 한국천문연구원 등 한국의 연구기관과 연구진이 참여한 국제 공동 연구진이 고리 구조에서 밝은 부분의 위치가 변한다는 사실을 발견했다. 2017년 인류 역사상 최초로 관측해 2019년 발표했던 M87 블랙홀을 2018년 관측한 데이터와 비교하여 얻은 결과이다.

한국천문연구원은 “한국의 연구진 및 연구기관들이 참여한 국제 공동 연구진이 사건지평선 망원경(EHT, Event Horizon Telescope)으로 M87 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자와 빛의 고리 구조를 또다시 포착했다”라며 비교 영상을 공개했다.

또한 “이번 영상은 2018년 관측 데이터로부터 얻었으며 이는 2017년 인류 역사상 최초로 포착해 2019년에 발표한 M87 블랙홀의 1년 뒤 모습”이라고 밝혔다.

M87 블랙홀 고리 구조의 변화는 블랙홀 그림자로 불리는 중심 검은 부분과 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이 고리 모양으로 관측됐다.

블랙홀의 그림자 부분과 고리 크기는 거의 일치하지만 고리에서 가장 밝은 부분의 위치가 다르게 나타난 것이다. 이는 변화하는 고리의 모습을 포착했다는 의미이다.

이번 연구결과 2018년 포착한 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기는 2017년과 일치했다. 하지만, 고리 구조의 가장 밝은 부분의 위치에 차이가 있었다.

블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기는 블랙홀의 질량에 의해서 결정되는 것으로 알려져 있다. M87 블랙홀의 질량은 매우 천천히 증가하는 것으로 알려져 있기 때문에 인류의 역사보다 긴 시간이 지나더라도 질량에는 거의 변화가 없다.

2017년에 관측한 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조 크기가 다시 관측을 했을 때 해당 구조와 크기의 변화가 없어 아인슈타인의 일반상대성이론을 입증한 것으로도 이해된다. 하지만 고리 구조의 밝기 분포는 블랙홀 주변 플라즈마에 존재하는 난류 등의 효과로 인해 변할 수 있다. 

블랙홀의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 사건지평선(Event Horizon)이다. 블랙홀 주변에는 중력이 너무 강해서 빛조차도 외부로 빠져나갈 수 없는 사건의 지평선이 존재하는 것으로 알려져 있다.

이 사건의 지평선의 존재 및 블랙홀 근처의 강한 시공간의 휘어짐으로 인해 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서는 관측자가 블랙홀 그림자를 둘러싼 고리 구조를 보게 될 것으로 예측했다. 사건의 지평선을 넘어가면 블랙홀의 강한 중력으로 인해 빛조차도 빠져나올 수 없게 된다. 

왼쪽 그림과 같이 블랙홀의 사건의 지평선의 존재로 인해 관측자는 어떤 질량을 가진 천체가 블랙홀이 됐을 때의 반지름인 슈바르츠실츠 반지름의 약 5.2에 해당하는 직경의 고리 구조와 중심의 블랙홀 그림자를 관측하게 된다.

연구진은 2017년과 2018년 관측 영상을 비교·분석해 일반 상대성 이론 및 M87 블랙홀의 존재를 다시 한번 검증한 것이다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 후속 연구를 통해 고리 구조의 밝기 변화를 분석함으로써 블랙홀 주변 물질 유입 및 방출 과정에 대한 더 큰 실마리를 찾을 것으로 기대된다.

이번 관측에는 2018년 새로 참여한 그린란드 망원경(Greenland Telescope)의 역할이 컸다. 기존 8대의 사건지평선 망원경에 신규 망원경이 추가되고 자체 망원경 성능도 향상돼 블랙홀 영상의 정확도가 크게 개선된 결과이다.

사건지평선 망원경은 2017년을 시작으로 2018, 2021, 2022년에 M87을 관측했으며 2024년에도 관측을 수행할 예정이다. 특히 올해는 한국천문연구원이 운영하는 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)이 관측에 직접 참여한다. 연구진은 한국우주전파관측망의 참여로 더 정확한 블랙홀 영상을 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 Astronomy & Astrophysics 2024년 1월 호에 게재됐다.

◐ 연구에 참여한 9개 망원경 : 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(ALMA), 아타카마 패스파인더(APEX), 유럽 국제전파천문학연구소(IRAM) 30미터 망원경, 제임스 클러크 맥스웰 망원경(JCMT), 대형 밀리미터 망원경(LMT), 서브밀리미터 망원경 집합체(SMA), 서브밀리미터 망원경(SMT), 남극 망원경(SPT), 그린란드 망원경(GLT) 

◐ 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network) : 한국천문연구원이 운영하는 KVN은 서울 연세대, 울산 울산대, 제주 서귀포(구 탐라대 부지), 평창에 설치된 21m 전파망원경 4기로 구성된 초장기선 간섭계(VLBI: Very Long Baseline Interferometry) 관측망이다. KVN은 우리나라 크기만 한 가상의 큰 망원경을 구현하여 높은 분해능을 얻을 수 있다. 이를 통해 블랙홀이나 활동성 은하핵, 별의 탄생과 사멸 지역과 같은 우주의 초미세 구조를 세밀하게 관측할 수 있다. 최근 서울대 평창 캠퍼스에 KVN 4호기 건설이 완공되었으며,  KVN 평창 전파망원경은 기존 KVN 망원경의 관측 주파수 대역을 포함해 최고 270GHz에 이르는 고주파수 우주전파신호를 관측할 수 있는 세계 최초 5채널(22/43/86/150/230GHz) 수신시스템을 갖췄다.