세계 첫 '블랙홀' 실체 관측…어떻게 성공했나

EHT 연구진이 공개한 블랙홀 영상/사진=한국천문연구원

세계 최초로 전파망원경에 포착된 ‘블랙홀’은 100년전 천재 물리학자 알베르트 아인슈타인이 예측한 모습 그대로였다. 우리나라를 포함한 세계 천문학 연구기관 20여곳 과학자들이 공조해 블랙홀을 실제 관측하는데 성공했다. 전 세계 과학계는 “천문학 역사의 한 획을 그은 이번 결과는 아인슈타인의 상대성이론에 대한 궁극적 증명”이라며 우주의 탄생·진화와 관련된 지금껏 몰랐던 블랙홀 정보를 확보하게 될 것이라고 전망했다.

11일 한국천문연구원(이하 천문연)에 따르면 전 세계 200여명 천문학자로 이뤄진 ‘사건의 지평선 망원경(Event Horizon Telescope·EHT)’ 연구진은 지구로부터 5500만 광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리, 약 9조4600억㎞) 거리의 거대은하 ‘M87’ 중심부에 있는 블랙홀을 관측하고 이를 영상화하는 데 성공했다. 블랙홀 무게는 태양 질량의 65억배에 달한다.
◇지구크기 ‘가상 망원경’으로 포착=이번 프로젝트에 참여한 정태현 천문연 전파천문본부 한국우주전파망원경(KVN) 그룹장은 이날 ‘EHT 블랙홀 관측’ 설명회에서 연구과정, 성과 등을 소개했다. EHT는 6개 대륙 8개 전파망원경이 ‘망’을 구성해 마치 하나의 커다란 망원경 같은 효과를 내도록 한 ‘가상의 망원경’이다. EHT 연구진은 2017년 4월 5일부터 10일간 8개 망원경이 확보한 블랙홀 전파 신호 데이터를 분석한 뒤 역추적하는 방식으로 블랙홀 영상을 얻었다. 하루 수집한 데이터 용량이 350TB(테라바이트)에 달한다. 이 데이터를 슈퍼컴퓨터로 분석하는 데만 꼬박 2년 걸렸다.


정 그룹장은 이 망원경에 대해 “한라산에서 백두산 정상에 있는 사람의 머리카락 한올 한올을 구분할 수 있는 정도의 분해능(물체를 구분할 수 있는 능력)이 있다”고 말했다. 파리의 한 카페에서 뉴욕에 있는 신문 글자를 읽을 수 있는 정도다.

연구진은 여러 번 관측자료 보정과 영상화 작업을 통해 고리 형태 구조와 중심부의 어두운 지역, 즉 ‘블랙홀의 그림자’를 발견했다. 블랙홀은 빛조차 탈출할 수 없는 강한 중력을 갖고 있으며, 블랙홀의 경계인 사건 지평선 바깥을 지나가는 빛도 휘어지게 만든다. 그래서 블랙홀 뒤편에 있는 밝은 천체나 블랙홀 주변에서 내뿜는 빛은 왜곡돼 블랙홀 주위를 휘감는다. 왜곡된 빛들은 우리가 볼 수 없는 블랙홀을 비춰 블랙홀의 윤곽이 드러나게 하는 데 이 윤곽을 ‘블랙홀의 그림자’라고 말한다.

사건지평선망원경(EHT) 프로젝트 한국측 연구자인 한국천문연구원 정태현 박사가 11일 오전 서울 중구 LW컨벤션센터에서 열린 'EHT(Event Horizon Telescope, 사건지평선망원경) 프로젝트 연구 결과 발표에 따른 언론설명회'에서 인류 역사상 최초로 관측된 처녀자리 은하 중심의 M87 블랙홀 사진에 대해 설명하고 있다. /사진=뉴스1.

◇블랙홀 존재, 아인슈타인 이론 입증=연구진은 블랙홀을 직접적으로 찍진 못했지만, 블랙홀을 두른 빛 입자들의 윤곽을 촬영, 블랙홀 존재를 증명했다고 밝혔다. 정 그룹장은 “공개된 블랙홀의 모습은 중력에 의해 시공간이 휜다는 아인슈타인의 일반상대성이론이 옳았음을 재입증한 것”이라고 말했다.

이번 블랙홀을 직접 눈으로 확인할 수 있게 된 데는 케이티 바우만이란 여성 과학자의 아이디어가 결정적 역할을 했다. 바우만은 매사추세츠공과대학(MIT) 대학원에 재학 중이던 3년 전 지구에서 블랙홀을 제대로 관측하기 위해 지구 크기 만한 망원경이 필요하다는 사실을 알아냈다. 그는 세계 각지에 흩어져 있는 전파망원경 8개로 지구 크기의 전파간섭계를 구성, 이미지를 추출하는 알고리즘을 만들었다. 지구만한 망원경을 대체할 수 있게 된 것이다.


EHT 연구진은 앞으로 국제전파천문학연구소 천문대, 그린란드 망원경, 킷픽 망원경 등 3개 전파망원경을 더 연결해 보다 향상된 블랙홀 동영상을 촬영·분석해 공개할 방침이다.