(This visualization of a general-relativistic collisionless plasma simulation shows the density of positrons near the event horizon of a rotating black hole. Plasma instabilities produce island-like structures in the region of intense electric current. Credit: Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
은하 중심에 있는 거대 질량 블랙홀은 우주에서 가장 강력한 물질의 흐름인 제트를 뿜어냅니다. 빛조차 탈출할 수 없는 강력한 중력을 지닌 천체에서 엄청난 질량의 입자를 빛에 속도에 가깝게 분출한다는 사실은 아이러니지만, 동시에 과학자들의 호기심을 자극하는 흥미로운 현상임에 분명합니다. 제트의 생성 원인에 대해서는 블랙홀 주변의 강력한 자기장과 중력이 가장 중요한 이유로 거론되고 있지만, 사실 그 구체적인 메카니즘에 대해서는 아직 모르는 것이 많습니다.
미 에너지부 산하의 로렌스 버클리 국립 연구소 (Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab))와 캘리포니아 대학 (UC Berkeley)의 연구팀은 최신의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 블랙홀의 강력한 플라스마 제트가 형성되는 과정을 연구했습니다. 나사의 에임스 연구 센터에 있는 슈퍼컴퓨터를 이용한 정교한 시뮬레이션은 블랙홀의 회전 에너지가 아니라 주변에서 생성되는 강력한 자기장만으로도 제트가 형성될 수 있음을 보여줬습니다.
한 가지 더 흥미로운 부분은 제트를 형성하는 물질이 단순히 블랙홀에 빨려들어갔다가 사상의 지평면 (event horizon)으로 영구적으로 사라지기 전 블랙홀 밖으로 나온 물질만 있는 게 아니라는 것입니다. 블랙홀 표면에서 형성되는 음의 에너지 입자 "negative-energy" particles의 경우 블랙홀의 질량을 줄이는 역할을 합니다. 이는 블랙홀의 증발이라고 표현할 수 있을 것입니다.
물론 아무리 정교한 모델링이라도 실제 관측 결과를 대신할 순 없습니다. 그러나 이번 연구 결과는 현재 진행 중인 Event Horizon Telescope의 관측 결과를 이론과 비교하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다. ( https://blog.naver.com/jjy0501/220730802404 참조)
블랙홀의 제트는 블랙홀에서 일어나는 가장 흥미롭고 미스터리한 현상 가운데 하나입니다. 아직은 모르는 부분이 많지만, 점점 발전하는 관측 기술과 이론을 통해 언젠가 과학자들은 이에 대한 만족할만한 설명을 내놓을 것입니다.
참고
Kyle Parfrey et al, First-Principles Plasma Simulations of Black-Hole Jet Launching, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.035101
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