[쿠키과학] '이중 블랙홀 실체 밝힌다'…천문연 참여 국제연구진, 제트 충격파 최초 포착

이중 블랙홀의 모식도. 출처: NASA Jet Propulsion Laboratory

이중 초대질량블랙홀 후보인 ‘OJ287’ 천체 제트 내부에서 전파되는 충격파가 발견됐다.

블랙홀 제트에서 충격파와 주변 매질이 부딪히며 나타나는 불안정성이 상호 작용하는 모습을 직접 관측한 것은 이번이 처음이다.

한국천문연구원(이하 천문연)이 참여한 사건지평선망원경(EHT) 공동연구진은 이중 블랙홀 시스템을 가진 것으로 추정되는 OJ287 천체 제트 내부 구조를 고해상도 영상으로 확인했다고 9일 밝혔다.

공동연구진은 제트 플라즈마와 주변 매질의 속도 차이로 발생하는 불안정성이 제트 내부 충격파와 상호 작용하는 과정을 전례 없는 해상도로 확인했다.

쌍둥이 블랙홀 쌍둥이 흔적

OJ287은 두 블랙홀이 서로 중력에 묶여 도는 이중 블랙홀 시스템의 가장 강력한 후보 천체다.

이 천체는 약 100년 동안 12년 주기로 밝기가 변하는 특성을 보였다.

학계는 이를 작은 블랙홀이 큰 블랙홀 주변을 돌면서 원반과 주기적으로 충돌해 이런 현상이 나타나는 것으로 분석했다.

공동연구진은 단 5일 간격으로 두 차례 EHT 관측을 진행해 제트 구조와 편광각이 변하는 과정을 포착했다.

EHT로 관측한 OJ 287. 한국천문연구원

편광각은 블랙홀 주변 자기장 지도를 그리기 위해 측정하는 빛의 진동 방향을 뜻한다.

관측 결과 블랙홀 제트가 뿜어져 나오는 지점에서 불과 0.75광년 떨어진 거리에서 제트 내부 충격파를 확인했다.

이는 제트 내부 플라즈마와 주변 물질 사이 속도 차이로 발생하는 불안정성이 충격파와 서로 맞물려 나타난 결과다.

공동연구진은 영상화를 통해 서로 반대 방향으로 회전하는 편광 현상을 포착했다. 속도가 빠른 성분은 시계 반대 방향으로 회전하고, 느린 성분은 시계 방향으로 회전했는데, 이는 충격파와 불안정성이 상호 작용한다는 결정적 증거다.

블랙홀 제트에서 이 상호 작용을 직접 관측한 사례는 지금까지 없었다.

지구 크기의 가상 망원경 EHT

이번 관측을 주도한 사건지평선망원경(EHT)은 세계에 산재한 전파망원경을 연결해 지구 크기의 가상 망원경을 만들어 블랙홀 영상을 포착하려는 국제 협력 프로젝트다.

사건지평선망원경(EHT). 한국천문연구원

EHT는 앞서 M87 은하와 우리은하 중심 블랙홀 영상을 사상 최초로 포착해 그 성능을 입증했다.

이번 OJ287 관측에는 아타카마 밀리미터/서브밀리미터 전파간섭계(ALMA), 아타카마 패스파인더(APEX), 유럽 국제전파천문학연구소(IRAM) 30m 망원경 등 총 8개의 망원경이 동시에 참여했다.

이를 토대로 EHT는 블랙홀에서 제트가 뿜어져 나오는 최첨단 지역을 정밀하게 관측, 제트가 만들어지는 과정과 입자들이 블랙홀 근처에서 어떻게 가속되는지에 대한 전례 없는 관측적 증거를 확보했다.

조일제 천문연 별생성진화연구센터 박사는 “단 5일 만에 상당한 변화가 일어나는 것을 확인한 만큼 앞으로 연속 모니터링을 수행한다면 나선형 자기장과 제트 불안정성 패턴의 3차원 구조를 모두 지도화할 수 있을 것”이라며 “제트가 만들어지는 과정과 입자들이 블랙홀 근처에서 어떻게 가속되는지 이해하는 중요한 증거가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 발견은 8일 국제학술지 ‘천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)’에 게재됐다.