(Hot spots circling around the black hole could produce the quasi-periodic millimeter emission detected with ALMA. Credit: Keio University)
(The variation of millimeter emission from Sgr A* detected with ALMA. The different color dots show the flux at different frequencies (blue: 234.0 GHz, green: 219.5 GHz, red: 217.5 GHz). Variations with about a 30-minute period are seen in the diagram. Credit: Y. Iwata et al./Keio University)
세계 최대의 전파 망원경인 ALMA가 우리 은하계 중심에 있는 거대 질량 블랙홀인 Sagittarius (Sgr) A*의 강착 원반 (accretion disk)에서 발생한 반짝거림을 확인했습니다. 태양 질량의 400만배에 달하는 Sgr A* 자체는 아무것도 빠져나올 수 없는 블랙홀이지만, 그 주변에는 강력한 중력에 이끌려 온 물질들이 원반 형태로 모인 강착 원반이 있습니다. 강착 원반은 매우 빠른 속도로 자전하는데, 가장 안쪽의 물질은 상대성 효과를 무시할 수 없는 수준으로 빠르게 움직입니다.
일본 케이오 대학의 이와타 요헤이 (Yuhei Iwata)를 비롯한 연구팀은 ALMA를 이용해 Sgr A* 주변을 하루 70분씩 10일간 관측했습니다. 그 결과 강착 원반의 가장 안쪽에서 30분, 1시간 간격의 밝기 변화가 일어난다는 사실을 확인했습니다. 강착 원반 안쪽은 블랙홀에서 대략 0.2 AU 혹은 3000만km 떨어져 있는데, 블랙홀의 크기를 생각하면 바로 붙어 있는 것과 다를 바 없습니다. 이 정도면 태양 - 수성 거리의 절반 수준에 불과힙니다.
강착 원반은 흔히 균일한 원반 형태로 묘사되지만, 과학자들은 불균일한 핫 스팟 (hot spot)이 존재한다는 사실을 알고 있습니다. 이런 핫 스팟은 관측자 방향으로 엄청난 속도로 가까워지면서 본래 밝기보다 훨씬 밝게 보입니다. 이런 상대론적 효과는 빛의 속도에 가까워질수록 강해지는데, 강착 원반 안쪽이 얼마나 빨리 움직이는지를 보여주는 증거 중 하나입니다.
강착 원반의 구조와 움직임은 블랙홀의 진화에 결정적인 영향을 미치는 요소입니다. 그러나 블랙홀이 너무 멀리 떨어져 있을 뿐 아니라 주변의 가스가 많아 직접 관측이 어려운 목표이기도 합니다. ALMA의 밀리미터 파장 관측 능력은 두꺼운 가스와 먼지를 뚫고 관측하기에 적합해서 블랙홀 주변 구조를 이해하는 데 많은 도움을 주고 있습니다. 밀리미터/서브 밀리미터 파장의 전파 천문학이 발전함에 따라 베일에 쌓인 블랙홀 주변 역시 점점 구체적인 모습을 드러낼 것으로 기대됩니다.
참고
Yuhei Iwata et al, Time Variations in the Flux Density of Sgr A* at 230 GHz Detected with ALMA, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/2041-8213/ab800d
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