한국 연구진이 참여한 국제 공동 연구팀이 그간 학계의 난제로 여겨졌던 초대질량블랙홀의 회전을 최초로 관측해내는데 성공했다.
한국천문연구원에 따르면, 이 기관을 포함한 국제 공동 연구팀이 블랙홀 제트의 세차운동이 11년 주기로 일어난다는 사실을 밝혀냈다고 28일 밝혔다.
국제 공동 연구팀에는 천문연을 비롯해 전 세계 45개 기관, 79명의 연구원이 참여했다. 이들은 2000년부터 2022년까지 동아시아우주전파관측망(EAVN), 초장기선 어레이(VLBA), 한일공동 우주전파관측망(KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(EATING)으로 얻은 관측 자료를 분석해 M87 초대질량블랙홀 제트의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견했다.
제트는 기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름을 말하는데, 노즐 같은 구조를 통과하며 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 방출돼 만들어진다. 블랙홀 주변의 강력한 자기장, 부착원반과 블랙홀의 상호 작용을 통해 강력한 제트 방출 현상이 발생한다.
초대질량블랙홀의 제트 방출 메커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 빠르게 회전하는 블랙홀에서 발생한 에너지 중 일부가 제트로 방출된다는 것이다. 그러나 이 과정에서 가장 중요한 요소인 초대질량블랙홀의 회전은 지금까지 직접 관측된 적이 없었다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 지난 23년 간 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 데이터를 분석하고, 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 연구를 수행했다.
연구 결과 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동이 발생하고 있다는 사실을 밝혀냈다. 세차운동은 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 이같은 세차운동의 존재는 M87 블랙홀이 실제로 회전하고 있다는 분명한 증거라는 게 연구팀의 설명이다.
이번 연구에서 천문연의 한국우주전파관측망(KVN)은 동아시아우주전파관측망의 일원으로 대부분의 관측에 참여했으며, 세종시의 22m 전파망원경도 일부 관측에 참여했다. 또한 천문연의 한일공동상관센터(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 과정이다. 이 단계를 거쳐야만 연구에 사용하는 영상 데이터를 최종적으로 얻을 수 있다.
한국 측 연구 책임자인 천문연의 노현욱 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 말했다.
EAVN AGN 워킹그룹의 리더인 손봉원 책임연구원은 “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 강조했다.
손 책임연구원이 언급한 틀 끌림 현상은 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 통해 예측한 천문 현상이다. 블랙홀처럼 질량이 매우 큰 물체가 회전하면 중력효과가 발생해 주변 시공간도 블랙홀의 회전을 따라 회전하게 된다는 것이다. 이번 연구가 아인슈타인의 이론을 또 한 번 입증해낸 셈이다.
연구는 과학 저널 ‘네이처(Nature)’에 한국 시각 28일 0시에 발표됐다. 이번 연구에는 총 79명의 연구자들이 참여했으며, 국내에서는 천문연의 노현욱 박사, 손봉원 책임연구원, 서울대학교의 이건우 연구원, 경희대학교 박종호 교수 등 총 23명의 연구자가 관측 제안 및 스케쥴, 관측 결과의 영상처리 및 분석과 같은 연구의 전반적인 과정에 기여했다.
