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2016년 6월 9일 목요일

우주 이야기 505 - 블랙홀을 직접 관측하기



(A new algorithm may allow astronomers to generate the first full image of a black hole using data collected from a connected array of radio telescopes around the world known as the Event Horizon Telescope (Credit: M.Weiss/NASA/CXC))
 블랙홀은 한 때 이론적인 존재에 불과했으나 현재는 우주에서 가장 중요한 천체 가운데 하나로 인정되고 있습니다. 대부분의 은하 중심에는 거대 질량 블랙홀이 존재하며  이는 은하 전체의 진화에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 과학자들은 실제 관측을 통해서 그 존재와 특징에 대해서 많은 연구를 진행했습니다.
 하지만 그럼에도 불구하고 블랙홀 본체라고 할 수 있는 사상의 지평면(Event horizon. 빛 조차 빠져나올 수 없는 지점)과 그 주변 지역에 대한 직접 관측은 대단히 어려운 일입니다. 대개 블랙홀은 아주 멀리 떨어져 있고 사상의 지평면은 매우 작기 때문입니다. 여기에 주변에는 두꺼운 가스와 별이 밀집한 데다 강착 원반과 강력한 제트 역시 관측을 방해하는 요소입니다.
 MIT 대학의 카티에 보우만(Katie Bouman, an MIT graduate student)​과 그녀의 지도 교수인 빌 프리맨(Bill Freeman) 교수는 새로운 알고리즘과 거대 전파 망원경 네트워크를 이용해서 이 과업을 달성하기 위해 노력하고 있습니다.
 전파 망원경은 가시광 보다 파장이 길기 때문에 두꺼운 가스에 둘러쌓은 블랙홀 안쪽을 보기에 적합한 도구입니다. 하지만 동시에 해상도가 매우 떨어지는 것도 사실입니다. 연구팀에 의하면 블랙홀의 사상의 지평면을 관측하는 일은 마치 달 표면에 있는 포도를 관측하려는 것과 다를 바 없습니다. 그것도 전파 망원경으로 말이죠.
 이 과제를 위해서는 지구 지름보다 약간 작은 지름 1만km의 전파 망원경이 필요합니다. 물론 이는 현실적으로 불가능한 이야기기 때문에 과학자들은 간섭계를 이용해서 세계 각지에 흩어진 망원경을 엮어 하나의 큰 망원경 처럼 사용하는 기술을 개발했습니다. 앞서 소개드린적이 있는 이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope, EHT)이죠. ( http://blog.naver.com/jjy0501/220558320212 참고)  


  여기에는 모두 6개의 대형 전파 망원경이 참여할 예정이지만, 솔직히 다른 전파 망원경의 데이터를 종합해서 블랙홀을 관측하는 일도 말처럼 간단하지 않습니다. 조각난 데이터 역시 상당한 양이고 기준으로 합칠 표준 데이터도 없기 때문입니다.

 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 가상 이미지를 구성한 후 머신 러닝 기법으로 이 데이터를 합성해 본래에 가까운 이미지를 구성하는 알고리즘을 개발했습니다. 이는 CHIRP(Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors)라고 명명되었습니다.


(Example CHIRP reconstruction of a black hole image with the Event Horizon Telescope (Credit:Jason Dexter, Monika Moscibrodzka, and Hotaka Shiokawa))


 이 새로운 알고리즘을 통해서 블랙홀 주변의 환경을 더 정확하게 이해할 수 있는 기반이 마련되었다고 연구팀은 생각하고 있습니다. 물론 이를 통해서도 블랙홀 주변을 정확히 관측하는 일은 쉽지 않은 일입니다. 얻어지는 이미지의 해상도 역시 현재 매우 낮은 편입니다.


 이 문제를 극복하기 위해서는 아마도 우주에 전파 망원경을 배치해 지구보다 더 큰 간섭계를 제작해야 할 것입니다. 지금 당장에는 어렵지만, 언젠가 미래에는 이것 역시 가능할 것이라고 생각합니다.


 참고




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