경북대 지구시스템과학부 김재영 교수를 포함한 121명의 국제공동연구진이 역대 최초로 M87 은하 중심에 위치한 초대질량 블랙홀의 그림자와 물질 유입 흐름, 그리고 강력한 제트를 동시에 관측하는 데 성공했다.

이번 연구를 통해 얻은 새로운 영상은 블랙홀 주변에서 물질 흐름이 제트 현상과 어떻게 연관되어 있는지에 대한 중요한 단서를 제공한다. 관측에는 ▷국제 밀리미터 초장기선간섭계 관측망(GMVA) ▷아타카마 거대 밀리미터/서브밀리미터 집합체 망원경(ALMA), ▷그린란드 망원경(GLT) 등이 사용됐다. 연구팀은 이 망원경들의 참여로 영상 품질이 크게 향상되어 이번 발견이 가능했다고 밝혔다. 연구 결과는 세계적인 과학저널인 네이처(Nature) 4월 27일자에 게재됐다.

블랙홀로 유입되는 가스는 광속에 가까운 속도로 가속되어 외부로 분출될 수 있으며, 이를 흔히 제트 현상이라 부른다. 천문학적 제트 현상은 1918년에 M87 은하에서 처음 확인됐다. 이후 많은 은하에서 제트 현상이 발견됐다. 제트 현상이 블랙홀 주변에서 발생한다는 간접적인 증거들은 지난 세기 동안 더러 발견됐지만 사건의 지평선 규모에서 블랙홀로 물질이 유입되고 제트가 방출되는 모습은 직접 관측되지 않았다.

이전 연구에서 사건지평선망원경(이하 EHT, Event Horizon Telescope)으로 찍은 최초의 M87 블랙홀 사진은 블랙홀 그림자와 빛의 고리 구조만 보였다. 블랙홀 주변의 휘어진 시공간이 보이지만, EHT 망원경의 민감도 한계로 인해 블랙홀과 거대 제트의 연결 부분은 영상에 포함되지 않았다.

이번에 공개된 M87의 새로운 GMVA 영상은 블랙홀 그림자와 더불어 블랙홀로의 물질 유입 흐름과 제트의 시작 부분이 어떻게 연결되어 있는지를 직접적으로 보여준다. 2017년 연구 기획 단계부터 참여한 경북대 김재영 교수는 “이전의 EHT 영상이 블랙홀 자체의 실존을 증명하였다면, 이번 GMVA 영상은 블랙홀 바로 주변의 복잡한 천체물리학적 과정들을 선명하게 보여준다.”라고 설명했다.

이번 연구에서 새로운 발견을 할 수 있었던 주된 요인은 ALMA와 GLT의 3.5mm 국제전파 관측망 참가로 인한 GMVA의 급격한 영상화 성능 향상이다. 특히 영상의 분해능과 감도가 모두 이전 단일 GMVA 관측시에 비해 수 배 이상 크게 향상됐다.

연구의 총책임자인 중국 상해 천문관측소(SHAO)의 루센 루(Ru-Sen Lu) 박사는 “3.5mm 파장에서 관측한 고리 구조가 이전에 EHT로 관측한 블랙홀 그림자보다 더 크고 두꺼운 것을 확인했다.”라고 말했다. 이는 “블랙홀에 물질이 빨려들어가는 강착 원반 흐름의 특징을 잘 보여주는 사진”이라고 설명했다.

일본 국립천문대(NAOJ)의 카즈히로 하다(Kazuhiro Hada) 박사는 “블랙홀 가까이의 내부 지역에서 나오는 복사는 우리가 예상한 것보다 더 넓게 퍼져있는데, 이는 블랙홀로 가스가 빠져들어가는 것 외에도, 블랙홀 주변에서 강한 난류를 일으키는 바람이 불고 있을 수 있다는 것을 의미할 수 있다.”라고 언급했다.

한국천문연구원의 박종호 박사는 “이번 연구의 후속 연구로 EHT와 GMVA를 활용하여 M87을 1.3mm, 3.5mm, 그리고 더 긴 파장 대역에서 동시 관측하여 전파의 ‘색’을 측정하는 연구가 진행 중”이라고 밝혔다.

경북대 김재영 교수는 “또한 M87 장기 후속 연구의 주제 중 하나로 제트와 고리 구조의 자기장 구조를 빛의 편광을 통해 재구성하는 것을 계획하고 있다.”라고 전했다. 또한 “블랙홀을 통한 제트 형성 이론에서 필히 예견되는 역방향 제트는 이번에 관측되지 않았는데, 이를 검출하기 위해서는 이번 결과에 사용된 관측 이상으로 국제 밀리미터 전파간섭계의 감도를 여전히 증폭해야 한다. 이를 위해 현재 한국우주전파관측망(KVN)에서 사용되는 첨단 다중 주파수 위상 보정 수신기를 전 세계 여러 전파 망원경에 설치하고 있으며, 향후 이 분야 국제 연구에서 국내 연구진들의 주도적 역할이 더욱 커질 것”이라고 전망했다.

국제연구단에는 경북대 김재영 교수 외에도 한국천문연구원의 박종호 선임연구원, 변도영 책임연구원, 그리고 정태현 책임연구원 등 총 네 명의 국내 연구진이 참여했다. 

@송창환기자