"23년 관측 끝 천문학계 쾌거" M87 블랙홀, 팽이처럼 흔들리며 회전한다

세차운동하는 블랙홀을 설명하는 이미지.[한국천문연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국천문연구원을 포함한 국제 공동 연구팀이 블랙홀 제트의 세차운동이 11년 주기로 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 이 연구결과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 28일 발표됐다.

전 세계 45개 기관, 79명의 연구원이 참여한 국제 공동 연구팀은 2000년부터 2022년까지 동아시아우주전파관측망(이하 EAVN), 초장기선 어레이(이하 VLBA), 한일공동 우주전파관측망(이하 KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(이하 EATING)으로 얻은 관측 자료를 분석해 M87 초대질량블랙홀 제트의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견했다.

초대질량블랙홀의 제트 방출 메커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 빠르게 회전하는 블랙홀에서 발생한 에너지 중 일부가 제트로 방출된다는 주장이다. 그러나 이 과정에서 가장 중요한 요소인 초대질량블랙홀의 회전은 지금까지 직접 관측된 적이 없었다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 지난 23년간 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(이하 VLBI) 데이터를 분석했고 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 연구를 수행했다. 그 결과, 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동이 발생하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상으로 세차운동의 존재는 M87 블랙홀이 실제로 회전하고 있다는 분명한 증거다.

M87 제트 세차운동 이미지와 각도 변화 이미지.[한국천문연구원 제공]

이번 연구에서 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(이하 KVN)은 동아시아우주전파관측망의 일원으로 대부분의 관측에 참여했으며 세종시의 22m 전파망원경도 일부 관측에 참여했다. 또한 한국천문연구원의 한일공동상관센터(이하 KJCC)는 연구에 사용된 총 170회의 관측 데이터 중 123개의 데이터를 상관처리했다. VLBI 관측에서 상관처리는 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파자료를 한곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정으로, 이 단계를 거쳐야만 연구에 사용하는 영상 데이터를 최종적으로 얻을 수 있다.

이번 관측에 참여한 동아시아우주전파관측망.[한국천문연구원 제공]

이번 한국 책임자인 노현욱 한국천문연구원 박사후연구원은 “우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체에 대해 오랜시간 지속적으로 관측할 수 있었으며, 이것이 이우리 연구의 가장 큰 장점”이라며 “앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상들이 발견되기를 기대한다”고 설명했다.

손봉원 한국천문연구원 박사는 “Kerr(커) 블랙홀이라고도 하는 회전하는 블랙홀 고유의 중력효과인 틀 끌림 현상(Frame dragging)를 독자적으로 입증한 이번 연구는 한국과 동아시아 연구진과 연구시설의 능력을 입증한 쾌거”라고 밝혔다.

한편 이번 연구에는 한국천문연구원 노현욱 박사, 손봉원 책임연구원, 서울대학교 이건우 연구원, 경희대학교 박종호 교수 등 총 23명의 연구자가 관측 제안 및 스케쥴, 관측 결과의 영상처리 및 분석과 같은 연구의 전반적인 과정에 기여했다.