세계 최초로 켑쳐한 메시에르 87 (Messier 87) 은하계의 블랙홀
Credit: Horizon Telescope Collaboration
빛도 탈출하지 못할 정도로 깊고 비중과 중력이 너무도 커서
눈으로 관측할 수 없다고 믿었던 블랙홀의 이미지를 최초로 캡쳐했다고
천문학자들이 2019년 4월 10일 수요일에 가진 기자회견에서 발표했다.
미국 와싱턴 DC에 소재한 하바드-스미소니언 천문물리학 센터의
우두머리인 솁 돌러먼(Shep Doeleman) 는수요일에 가진 기자회견에서
"우리가 전혀 볼 수 없다고 믿었던 우주의 최대의 물체의 모습을
이번에 켑쳐한 블랙홀의 이미지는 지구에서 5천5백만 광년의 거리에 떨어진
은하계 중심에 위치한 메시에르 87(Messier 87: M87) 블랙홀의 모습이다.
이 이미지를 담기 위해서 천문학자들은 M87 은하계가 속해 있는
처녀 별자리 (the constellation Virgo) 까지 도달했다.
이 블랙홀은 우리의 태양보다 65억배나 비중이큰 거대한 물체로
막대하고 격렬한 에너지를 5천 광년에 달하는 거대한 공간으로 뿜어내고 있다.
이 블랙홀의 이미지는 아인슈타인도 쉽게 받아 들이지 못했던 블랙홀의 존재와
실체를 명백하게 증명해 보여 주었다.
너무나 거대한 물질이 아주 작은 공간에 밀어 넣게 되면,
물질의 비중에 따라서 중력 또한 어마어마하게 증가하게 되면서
주위의 모든 것들을 빨아드릴 수 있는 영원한 '덫'이 바로 블랙홀인 셈이다.
아울러, 아인슈타인의 상대성이론도 더 이상 먹히지 않게 되고,
물질, 공간과 시간이 사라져 버리게 된다.
하지만, 블랙홀의 둥그렇게 생긴 그림자 모양은 아인슈타인의 이론을 입증해 주기도 했다.
EHT 망원경을 사용해서 M87 갤럭시(은하계)의 중심에 위치한 블랙홀의 이미지를 켑쳐했다.
이 이미지는 블랙홀의 가장자리인 Event Horizon 주위에
막중한 중력때문에 뜨거운 개스가 분출되는 모습을 보여준다.
Credits: Event Horizon Telescope collaboration et al.
블랙홀 이미지 켑쳐 뉴스는 미국 와싱턴 외에도, 지구촌의 다섯 도시에서 동시에
기자회견을 열었는데, 이는 전세계의 200명의 천문학자들과 아홉개의 망원경,
그리고 Astrophysical Journal 전문 과학지에 발표된 여섯편의 논문들이 함께
협업해서 만들어 낸 대단한 열매임을 입증해 준다.
예일대학교의 나타라잔 박사는 "아인슈타인의 상대성이론은
아주 어마어마한 중력 규모와 상황에도 여전히 해당됨이 증명되어서
아인슈타인이 이 소식을 들으면 아주 기뻐했을 것이다." 라고 밝혔다.
블랙홀에서 발생된 파(wave)를 발견한 공로로 2017년 노벨 물리학상을 수상한
칼텍의 손(Thorne) 박사는 "블랙홀의 둥근 그림자를 볼 수 있어서 매우 기쁘고,
이 이미지는 M87의 블랙홀이라고 믿어 의심치 않는다." 라고 말했고,
뉴욕의 버나드 컬리지의 레빈 교수는 "지금 살아 있어서 이런 대단한 사건을
목격할 수 있어서 너무 행운이다."라고 소감을 밝혔다.
이 사진은 2017년 4월에 10일간 네 대륙에 소재한 여섯개의 산 꼭대기에 위치한
여덟 곳의 천문대에 설치된 Event Horizon Telescope 이라고 불리우는
라디오 안테나들이 모인 네트워크로 담은 방대한 데이타를 하드 디스크에 저장해서
MIT의 헤이스태크 천문대(Heystack Observatory)와
독일 본에 소재한 맥스 플랭크 천문대(Max Planck Institute for Radio Astronomy)에
보내져서 2년간 그 데이타를 정밀하게 분석해서 만들어진 이미지이다.
지구 여러 곳에 소재한 이 네트워크 시스템으로 상호 작동되는 이 망원경의 장점은
망원경의 렌즈 크기가 지구의 크기와 같아서 아주 먼 곳에서 발생한
희미한 빛도 켑쳐할 수 있다는 것이다.
Event Horizon Telescope 라는 라디오웨이브 네트워크의 이름은
빛까지 삼켜 버리는 돌아올 수 없는 블랙홀의 가장자리 지점을 일컫는
Event Horizon에서 따 왔다고 한다.
이 EHT 망원경은 우리의 밀키웨이 은하수계 가운데에서 발생한
궁수 별자리 A-스타(Sagittarius A*)라고 불리우는
아주 희미한 라디오 소음을 모니터도 해 냈다.
지구에서 2만 6천 광년의 거리에 떨어진 은하계에 떠도는 먼지와 기체가
우리의 태양보다 4백만배나 비중에 달하는 블랙홀 주위를
맴도는 것을 관측했다.
여덟군데에 위치한 천문대 중 하나인
칠레의 아타카마에 소재한 The Atacama Large Millimeter Array의 모습
Credit: Y. Beletsky (LCO)/ESO
주파수가 낮은 라디오웨이브를 사용한 망원경은 1950년대에 개발되어서
언뜻 보기에 평온하게 보이는 우주 공간에 라디오 에너지가 넘치는 것을 알아냈다.
그 덕분에 과학자들이 블랙홀의 존재를 추측해 낼 수 있는 계기를 만들어 주었다.
암스테르담 대학교의 천문학 교수이자 Event Horizon 팀 멤버인 세라 마르코프씨는
"블랙홀은 우주의 법칙을 무시하고 엄청난 괴력의 파괴를 불러 일으킨다."라고 말했다.
이번에 켑쳐된 이미지는 100년 전에 아인슈타인이 제기한 우주의 법칙을 설명해 주는
상대성 이론을 입증해 주었다. 상대성이론은 물질과 에너지로 발생한 거대한 중력이
공간과 시간을 휘게 해 준다고 예측해 준다.
아인슈타인의 유명한 공식은 어마어마한 량의 물질이나 에너지가
아주 조금한 공간에 몰리게 되면, 시간-공간이 사라지고,
물질과 에너지(빛)을 영원히 갇히게 된다고 알려 주는데,
아인슈타인은 이 결과에 놀라워 하면서 이 결과에 불만스러워했다.
하지한 대부분의 천문학자들은 거대한 우주 공간에는 여러 블랙홀이 존재해서
주위의 모든 것을 빨아 들인 '별들의 중력 묘지'가 있다는 것을 사실로 받아 들여지고 있다.
하지만 천문학자들은 블랙홀 안에 빠져 든 물질이나, 에너지, 빛이 궁극적으로 어떻게 되는지,
이론적으로 블랙홀의 비중이 무한대인 블랙홀의 가운데는 어떤 힘(force)이 존재하는지
여전히 밝혀내지 못하고 있다.
2016년 허블 망원경으로 담은 밀키웨이 은하계의 중앙의 모습
Agence France-Presse — Getty Images
은하계 가운데에 위치한 처녀 별자리에 존재하는 블랙홀은 지구에서 워낙 먼 거리에 위치해 있어서
가장 최신의 망원경으로도 쉽게 찾기 매우 어려운 작업이다.
아울러 우주 공간에 존재하는 많은 전자와 양자들 때문에 이미지가 흐려지는
문제에서 벗어나기 위해서 주파수가 낮은 라디오 주파수를 사용한 망원경을
남극, 프랑스, 칠레, 하와이등에 먼 거리에 설치해서 Interferometry 테크닉을 바탕으로 만들어진
지구의 크기만한 대형 망원경이 바로 EHT(Event Horizon Telescope)으로
달 표면에 위치한 사과 크기만한 작은 물체를 명확하게 보여주는 높은 해상력을 자랑한다.
멕시코 푸에블라에 소재한 피코 데 오리자바 국립공원에 소재한
대형의 망원경을 통해서 2015년에 우주를 관측하고 있는
Event Horizon Telescope의 센터장인 솁 돌러먼(Shep Doelelman)
Meridith Kohut for The New York Times
돌러맨 박사는 작년에 분석된 최초의 이미지에 예상된 반지 모양의 이미지를 보고
이미 낙관적인 결론을 예상했다고 했으며, 최후에 발표된 이미지가 기대 이상으로
명확해서 매우 흡족했다고 말했다.
물질이 블랙홀로 빠져 들어 가면서 블랙홀 주위를 서로 일체가 되어서 팽창하게 된다.
반지 모양의 빛은 블랙홀의 가장 중심에 가까운 곳에 위치한 포톤의 궤도로
천문학자들이 자로 반지의 지름을 재서 블랙홀의 크기를 측정할 수 있었고(태양의 65억배),
아인슈타인의 이론을 입증하게 되었다.
EHT로 도너츠 모양의 accretion 디스크는 옆으로 누운 상태로 지구를 향해 있으며
시계 방향으로 회전하다는 것도 밝혀냈다.
EHT 망원경처럼 네트워크 시스템으로 이루어지 거대한 망원경의 지속적인 발전으로
작년에 그린랜드에 설치된 망원경은 불과 1년 전보다 2배가 넘는 데이타를 모았는데,
아직 분석 작업이 끝나지 않아서 이번 발표에서는 누락이 되었다.
곧 두개의 안테나가 추가될 예정인데, 앞으로 더 정확한 우주의 모습을
담을 수 있을 가능성이 넓게 열리게 된다.
블랙홀 이름 '포웨이(Powehi)'
이번에 최초로 블랙홀의 사진이 공개되면서 그 블랙홀의 이름도 탄생되었다.
켑쳐된 M87의 블랙홀의 이름을 만든 사람은 힐로에 소재한 하와이 대학교에 재직중인
래리 기무라(Larry Kimura) 교수로 블랙홀의 이름을 '포웨이'로 명명했다.
'포웨이'라는 단어는 18세기부터 내려오는 하와이의 탄생 이야기를 담은
쿠물리포(Kumulipo)에서 나온 단어로, '포'의 뜻은 끊임없는 탄생중의어두움의 정체를 나타내며,
한편으로 '웨히'라는 뜻은 아름다운 장식으로 헌정한다는 뜻을 조합해서
'아름답게 꾸며진 깊이를 가늠할 수 없을 정도로 깊은 심연에서의 창조'라는 뜻을 뜻한다.
이번 블랙홀 프로젝트에 참가한 천문학자들은 사용된 덟개의 EHT 망원경 중에
하와이에 소재한 두개의 망원경이 사용되었기에 하와이 어원에서 따 온 이름으로
이 블랙홀을 명명한 것은 적합하다고 밝혔다. 이 소식을 전해들은
하와이 소재의 EHT 망원경이 있는 천문대에서 지난 2년간 이 프로젝트에 참가한
천문학자들은 블랙홀의 이미지 켑쳐에 이어서 이중으로 경사가 났다고 기뻐했다.
블랙홀 사진을 켑쳐할 수 있게 한 대단한 케이티 보우먼과 여성 과학자들
케이티 보우먼(Katie Bouman)
Photograph: MIT CSAIL
최초의 블랙홀 사진이 나올 수 있게 컴퓨터 알고리듬을 개발한 장본인은
29세의 젊은 박사후 과정(Post Doctoral) 학생인
케이티 보우먼(Katie Bouman)이라는 사실이 밝혀져서큰 주목을 받고 있다.
케이티 보우먼은 이번 블랙홀 프로젝트에 참가한 200명의 연구원들 중 한 멤버로
MIT 대학교에서 컴퓨터 공학과 인공지능(AI)를 전공하는
박사과정 중인 학생으로 지구에서 5천5백만 광년 거리에 위치한
메시에르 87의 블랙홀의 모습을 사진으로 탄생시킬 수 있는 컴퓨터 알고리듬 개발팀의
리더로 일해 왔다.
이번에 최초로 켑쳐된 블랙홀 사진은 여덟개의 EHT 망원경에서 10일간
네트워킹으로 모은 방대한 양의 데이타를 분석해서 하나의 이미지로 만드는 작업을 하기 위해서
보우먼씨는 6년 전, 그녀가 23세때부터 이 프로젝트에 쥬니어 연구원으로 참여하기 시작했다.
그녀의 전공분야는 우주물리학이 아니라 컴퓨터 공학과 전기공학이지만,
그녀와 그녀가 이끄는 팀은 3년동안 이미지 구축을 위한 코딩작업을 해서 알고리듬을 완성했다.
보우먼과 팀원들은 이 알고리듬을 바탕으로 2년동안 다수의 EHT 연구원들과의 협업을 통해서
블랙홀의 이미징 작업의 개발과 테스팅을 개발하게 되었다.
작년 2018년 6월이 되서야 여덟개의 EHT에서 수집된 모든 데이타를 넘겨 받은 후에
보우먼과 팀원들은 하바드의 자그마한 방에 모여서 지난 수개월동안 노력을 기울인 끝에
우리의 눈으로 직접 볼 수 있는 블랙홀의 모습을 담게 되었다.
이번 EHT 프로젝트에 참여한 네덜란드 출신 사라 이싸운(Sara Issaoun)
이번 EHT 프로젝트처럼 과학계의 획기적인 사건이 생기면,
자연히 팀의 리더나 소수의 멤버들만이 매스컴의 각광을 받기 마련임을 잘 아는
팀 리더 솁 돌러먼씨나 보우먼씨는 이번의 쾌거는
이 프로젝트에 참가한 모든 이들의 노력이며 공임을 잊지 말라고 덧붙였다.
특히 오랫동안 여성 과학자들의 공로와 업적이
남성 과학자들의 뒷전으로 밀려서 그들의 노력이 덮혀지는 일이 다반사였지만,
앞으로는 여성들의 활약상도 편견없이 그대로 알리게 되어서 흐뭇하다고
네덜란드 출신 여성 연구원인 이싸운씨가 소감을 이야기했다.
