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2013년 1월 27일 일요일

우주 이야기 139 - 은하 중심 블랙홀의 실제 모습은 ?



 최근에 국내외 언론들을 통해 블랙홀의 실제 모습이라고 주장하는 이미지가 잠시 인기를 끌었던 적이 있었습니다. 사실 이 이미지는 은하 중심 블랙홀 - 흔히 궁수자리 A* (Sagittarius A* ) 의 실제 모습을 알기 위한 노력들의 하나로 아직 이것이 '블랙홀의 모습' 이라고 말할 수 있는 수준의 상세 이미지는 아니라고 할 수 있습니다. 여기서는 잠시 은하 중심 블랙홀 - 거대 질량 블랙홀 (Super Massive Black Hole  SMBH) - 가운데 우리 은하 중심에 있는 궁수자리 A* 의 실제 모습에 대한 이야기를 해보겠습니다. 



(2013 년 1월  221 회 미 천문학회에서 소개된 블랙홀 이미지에 대한 포스터 This crescent-shape image is the best fit to observations of Sgr A*, the supermassive black hole at the center of our galaxy, according to a January 2013 study.  Credit :  KAMRUDDIN/DEXTER ) 


 사실 블랙홀은 그 자체로는 눈에 보이지 않습니다. 다만 블랙홀로 많은 물질이 빨려들어 가면서 우리는 블랙홀의 존재를 추정할 수 있습니다. 블랙홀에 대한 전반적인 이야기와 이에 관련된 이야기는 이미 이전 포스트에서 설명한 바 있습니다. ( http://blog.naver.com/jjy0501/100133444772 ) 간단히 다시 여기서 설명하며 사실 아무 물질도 빨아들이지 않는 블랙홀은 아래 처럼 보일 것입니다. 왜 이렇게 보이는 지에 대해서는 이전 포스트를 참조해 주시기 바랍니다. ( http://blog.naver.com/jjy0501/100133536079 )  



(블랙홀의 컨셉 아트   CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시  저자 Alain ) 


 아무것도 빨아들이지 않는 블랙홀은 그 앞에 빛을 내는 광원이 지나갈 때에만 그 존재를 알 수 있습니다.  처음에는 중력의 영향으로 빛이 휘면서 일종의 광구를 형성하고 그 안에 완전히 빛이 차단되는 공간이 존재합니다. 하지만 이런 블랙홀을 실제로 관측한다는 것을 거리를 생각하면 불가능합니다. 

  
  실제로 우리가 관측한 블랙홀들은 이런 경우가 아니라 적지 않은 물질이 블랙홀의 사상의 지평면 (Event Horizon) 으로 흡수되는 형태의 블랙홀들입니다. 이전에 몇차례 소개한 대로 블랙홀의 중력에 의해 블랙홀에 다가간 물질은 조석력의 차이에 의해 잘게 부숴지게 되며 궁극적으로는 소용돌이 모양으로 나선을 그리면서 블랙홀에 가까이 다가서게 됩니다. 


 블랙홀 주변에 이런 물질이 많으면 이른바 강착 원반 (Accretion disk) 을 형성하게 되며 강착 원반과 블랙홀, 자기장의 상호 작용으로 블랙홀의 좁은 사상의 지평면으로 빨려들어가지 못한 물질들은 거대한 제트를 강착 원반의 수직 방향으로 뿜어내게 됩니다. 



 (일반적으로 블랙홀 하면 흡수하는 천체의 이미지가 강하지만 많은 물질이 빨려들어 갈때는 이렇게 강력한 제트를 내뿜는다 This file is in the public domain because it was created by NASA)


 우리가 알고 있는 은하 중심의 거대 질량 블랙홀 (SMBH) 의 모습은 바로 이런 식입니다. 실제 수천광년에 달하는 아주 강력한 제트를 뿜어내 아주 멀리서도 잘 보이는 은하 중심 블랙홀도 있습니다. 대표적으로 M87 은하가 그런 예라고 할 수 있으며 아주 멀리 떨어진 경우에는 퀘이사가 그런 경우라고 할 수 있습니다. 이 은하의 중심 블랙홀은 태양 질량의 (6.6 ± 0.4) × 109 배에 달하는 것으로  추정되 슈바르츠실트 반지름 역시 태양 - 명왕성 거리 보다 더 긴 것으로 생각됩니다. 




(M87 은하의 중심에서 나오는 블랙홀의 거대 제트. 중심 블랙홀의 질량은 태양의 60억배이며, 뿜어져나오는 제트의 크기는 거의 5천 광년이나 된다. 속도도 광속에 근접할 만큼 빠른 속도로 움직인다.  This file is in the public domain because it was created by NASA and ESA. Hubble material is copyright-free and may be freely used as in the public domain without fee, on the condition that NASA and ESA is credited as the source of the material. )


 우리 은하 중심에도 거대 질량 블랙홀이 존재하는데 M87 처럼 거대하진 않지만 그 질량은 태양의 400 만배에 달해 거대 질량 블랙홀이라는 이름을 붙이기에 아깝지 않은 크기입니다. 하지만 아직 아무도 그 모습을 상세하게 본 일은 없습니다. 지구에서 관측하기에는 은하 중심부의 가스와 밀집된 별들에 가려서 아무것도 보이지 않기 때문입니다. 따라서 우리 은하 중심 블랙홀은 사실 아주 관측이 까다로운 부분입니다. 짙은 안개가 낀 먼 지역인데 건물들이 밀집되어 사실 안쪽을 보기 불가능한 경우를 생각하면 됩니다. 하지만 오랜 연구를 통해 과학자들은 우리 은하 중심에 거대 질량 블랙홀이 존재한다는 것을 알고 있습니다. 



(은하 중심의 거대 질량 블랙홀의 컨셉 아트, 거대한 강착 원반이 구름과 별에 가려 잘 보이지 않는 구조 Image Credit: NASA/JPL-Caltech)


 사실 궁수자리 A* 의 존재를 알게 된 것은 1974 년 이었습니다. 최초의 관측부터 지금까지 대부분의 관측은 가시광 영역 보다는 전파 망원경이나 적외선, X 선 등으로 이루어졌는데 그 이유는 앞서 이야기 한데로 이 은하 중심 블랙홀이 은하 중심부에 밀집된 별과 가스 구름 속에 숨어 있기 때문입니다. 은하 중심의 벌지 (Bulge) 라고 부르는 부위는 많은 가스와 별들이 존재하며 특히 블랙홀 주변에는 블랙홀에 거대한 중력에 이끌린 가스 구름과 별들이 존재합니다. 


 이전 포스트 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100168735039 ) 에서 한번 언급했듯이 은하 중심 블랙홀 주변에는 이를 중심으로 공전하는 별들과 가스가 존재하며 이들은 26000 광년 떨어져 있어 그 안쪽을 직접 관측한다는 것은 매우 어려운 과제였습니다. 하지만 점차 관측 기술이 발전하면서 이전보다는 많은 사실들이 알려지고 있습니다. 하지만 사실 거대 질량 블랙홀의 강착 원반을 직접 본다는 것은 아직까지 무리한 일이었습니다.  실질적으로는 블랙홀 안쪽으로 많은 물질이 흘러들어갈 때 나오는 X ray 를 관측하거나 주변의 별, 가스의 움직임을 관측하는 정도였습니다.



(이전에 소개한 NuSTAR 가 관측한 은하 중심의 X ray 이미지. 블랙홀로 빨려들어가는 물질들은 강착원반에서 마찰력에 의해 가열되어 섭씨 100 만도 까지 온도가 올라가며 이 때 X 선을 내놓는다. 이 X 선은 가스구름을 뚫고 관측하기 용이하다.  Credit : NASA) 


 이 은하 중심 블랙홀에 한가지 재미있는 이벤트가 준비되어 있는데 그것은 G2 라고 알려진 지구 질량의 3 배 정도되는 가스 구름이 은하 중심으로 접근하고 있다는 사실입니다. 이 가스는 최근 연구에서 지금 블랙홀의 강착 원반을 향해 접근 중이라는 것이 확인되었습니다. 만약 이 가스가 상당 부분 블랙홀의 강착원반으로 들어가게 되면 블랙홀이 수십년간 더 많은 에너지를 내놓으면서 관측을 용이하게 만들 가능성도 있고 그냥 스쳐지나갈 가능성도 있습니다. 아무튼 만약 흡수된다면 천문학자들에게는 진짜 어떻게 블랙홀이 물질을 흡수하는지 알 수 있는 절호의 기회가 될 수 있으며 그 시기는 대략 2013 년 중후반으로 생각되어 이를 연구하는 과학자들에게 큰 관심을 불러 모으고 있습니다. 



(은하 중심 블랙홀에 접근하는 G2 가스 구름 (붉은색)   Credit : ESO ) 


 이런 새로운 현상들은 우리에게 은하 중심 블랙홀에 대해서 더 상세한 내용을 알수 있게 해주겠지만 그 자체가 제일 앞에서 언급한 블랙홀 자체의 모습을 알 수 있게 해주는 것은 아닙니다. 사실 이 블랙홀은 26000 광년이나 떨어져 있으며 짙은 구름에 가려 있어 가시광으로 보기는 불가능합니다. 


 하지만 2020 년 이후 새로운 돌파구가 열릴 가능성도 있습니다. 여전히 가시광으로는 볼 수 없지만 대신 전세계적인 밀리미터/서브밀리미터 전파 망원경의 네트웍을 만들어 하나의 거대 전파 망원경을 만든다면 해상도를 높여 구체적인 강착원반 및 제트의 모습을 볼 수 있게 될지 모릅니다. 이 망원경은 Event Horizon Telescope 라고 불리는데 은하 중심 블랙홀의 예상되는 슈바르츠실트 반지름인 0.08 AU (태양 지름의 17 배) 까지 분해능을 확보할 수 있을 것입니다. 


 아직 여기까지는 많은 시간이 남아있으나 현재까지 연구 결과를 종합해 위에 보이는 조악한 형태의 이미지를 구축한 것입니다. 따라서 저 위에 있는 사진이 블랙홀의 실제 모습이라고 보기는 어려울 것입니다. 하지만 비록 가시광 사진이 아니라 전파 망원경 결과를 재구성한 이미지라고 해도 우리가 직접 강착원반의 실제 모습과 그 안쪽의 사상의 지평면 부분까지 직접 측정이 가능하다면 이 역시 엄청난 진보라고 할 수 있을 것입니다.  



 참고 

 Gillesson, S; Genzel, Fritz, Quataert, Alig, Burkert, Cuadra, Eisenhauer, Pfuhl, Dodds-Eden, Gammie & Ott (5/1/12). "A gas cloud on its way towards the supermassive black hole at the Galactic Centre". Nature 481: 51–54. doi:10.1038/nature10652

Ghez, A. M.; et al. (12 March 2003). "The First Measurement of Spectral Lines in a Short-Period Star Bound to the Galaxy’s Central Black Hole: A Paradox of Youth". The Astrophysical Journal 586 (2): L127–L131. Bibcode 2003ApJ...586L.127G. doi:10.1086/374804





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