아인슈타인의 그림자를 계속해서 쫓은 국제팀 : '블랙홀 최초의 사진'은 이렇게 촬영에 성공했다

PHOTOGRAPH COURTESY OF EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

블랙홀 주변을 밝게 비추는 링 모양의 가스, 그리고 중심에 존재하는 어두운 '그림자'──. 블랙홀을 최초로 사진으로 포착하는 역사적인 성과는, 세계에 흩어져 있는 8개의 전파망원경을 연계시켜, 200명의 과학자가 국제팀을 이룬 끝에 만들어낸 업적이었다.

アインシュタインの影を追い続けた国際チーム：「ブラックホールの最初の画像」はこうして撮影に成功した
ブラックホールの
https://wired.jp/2019/04/13/first-picture-of-blackhole/

アインシュタインの影を追い続けた国際チーム：「ブラックホールの最初の画像」はこうして��

위대한 물리학자 알버트 아인슈타인의 일반상대성 이론이 거대한 중력을 가진 고밀도의 천체의 존재를 예언했고, 그로부터 약 100년이 경과한 2019년 4월 10일 천문물리학자들이 최초로 블랙홀의 모습을 사진으로 파악했다고 발표했다.

블랙홀의 주변부를 밝게 비추는 링 모양의 가스. 그 중심에 존재하는 어두운 '그림자'. 블랙홀은 그 이름 그대로 '검은 구멍'으로 인류 앞에 모습을 드러냈다.

'사건의 지평선'을 들여다보다

이 위업은 바로 아인슈타인의 그림자를 쫓은 결과였다.

이벤트 호라이즌 망원경(EHT) 국제팀의 한 명인 애리조나대학 천문물리학 교수의 헤리아르 · 오제르 박사는 블랙홀의 모습을 사진에 담기 위한 도전을 다음과 같이 말하고 있다 .

"블랙홀은 우주가 우리에게 제공해준 '자연 연구소'입니다. 그곳은 모든 것이 극단적으로, 물리의 법칙조차 뒤틀려 부서질지도 모릅니다. 서로 상반된다는 양자역학과 일반상대성 이론도 블랙홀 속에서는 속수무책입니다. 그곳은 물리학자들에게 매우 매력적인 장소입니다."

블랙홀은 거대한 밀도와 중력에 의해 시공간이 왜곡된 장소로, 중력의 힘에 의해 빛조차 탈출할 수 없다고 말하는 천체이다. 따라서 블랙홀의 관측은 빛이 막히는 경계선, 즉 '사건의 지평선'을 보게 된다.

은하의 중심부에서는 가스가 블랙홀에 삼켜지기 직전에 수십억 도의 열을 방출한다. 그것이 아인슈타인의 일반상대성 이론에서 예측되는 크기와 모양을 가진 '사건의 지평선'을 실루엣처럼 떠오르게 하는 것이다.

이번 대상이 된 두 블랙홀은 지구에서 관측하기 쉬운 '명백한'의 크기가 키였다. 일반적으로 질량이 큰 블랙홀일수록 그 크기도 크고, 가까이에 존재하는 블랙홀일수록 커 보인다.

이러한 기준을 충족하는 것이 우리은하의 중심부에 존재하는 '궁수자리A의 블랙홀과 처녀자리 은하단에 있는 M87 은하 중심부의 블랙홀이었다. 이번에 공개된 사진은 지구로부터 5,500광년 떨어진 M87 은하의 것으로, 그것은 태양의 65억 배의 질량을 가진 거대한 블랙홀이다.

직접 관측할 수 없다고 하는 블랙홀. 연구팀은 어떤 기술로 이를 가능하게 한 것일까?

8개의 전파망원경을 엄청난 정확도로 연동

EHT팀의 설명에 따르면, 블랙홀은 엄청나게 먼 곳에 있으며 '뉴욕에 있으면서 로스앤젤레스에 있는 골프공의 홈을 하나하나 세는 것과 같은 작업', '달에 있는 귤의 사진을 찍는 것과 같은 작업'이라는 말도 안 되게 미친 정밀도를 필요로 하는 것이었다. 이 해상도를 달성하기 위해서는 지구 규모의 망원경이 필요하다.

그래서 국제 연구팀은 애리조나, 하와이, 스페인, 멕시코, 칠레, 그리고 남극에 있는 8개의 전파망원경을 연동시켜, 가상으로 지구 규모의 크기를 갖는 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)을 실현했다. 그리고 초장기선 전파간섭법(VLBI)이라는 기술을 사용하여 거리가 떨어져 있는 여러 망원경이 수신한 전파를 간섭하는 방식으로, 터무니없이 높은 해상도의 이미지 합성이 가능했다.

세계 8개소에 흩어져 있는 전파망원경을 이용하여 블랙홀의 이미지를 포착했다. 사진은 남극에 있는 전파망원경. PHOTO : JUNHAN KIM / THE UNIVERSITY OF ARIZONA

하지만 초거대 블랙홀의 관측을 가능하게 하려면 8개의 망원경 모두가 완벽하게 싱크로 하여 각각 특정 방향을 향하고 있어야 한다. 안정적인 연동을 가능하게 하기 위해 EHT는 1억 년에 1초의 오차라는 초정밀도의 원자시계가 도입되었다. 따라서 완전히 동기화 된 8개의 망원경은 동시에 고개를 돌려 블랙홀에 집중하여 하나의 거대한 위성 안테나 같은 역할을 한 것이다.

"이벤트 호라이즌 망원경(EHT)은 아인슈타인의 일반상대성 이론이 예언한, 은하의 중심부에 존재하는 초거대 블랙홀 주변을 시도할 수 있는 최초의 관측 수단입니다"라고 애리조나대학 천문학 교수인 디미트리오스 소루티스 박사는 말한다.

500kg의 하드디스크를 물리적으로 이동

팀에 따르면 블랙홀에 삼켜지는 직전에 있는 고온의 가스가 잘 빛나게 보이는 대역은 1mm의 주파수 부근이라고 한다. 실제로 촬영에 사용된 주파수는 1.3mm. 이 주파수는 다행히 지구의 대기권과 은하에 존재하는 가스의 방해없이 블랙홀을 볼 수 있다고 한다.

2017년 4월 EHT팀은 8개의 망원경으로부터 5페타바이트(1페타바이트 = 1,024테라바이트) 가량의 데이터를 취득했다. 이 연구에서 컴퓨테이션 소프트웨어 그룹을 이끈 陳志均 박사에 따르면, 미국에서의 일반적인 인터넷 속도로는 '하나의 천문대에서 다른 천문대에 데이터를 전송하는데 1년 정도 걸릴 규모'의 데이터의 양이라고 한다. 이런 이유가 약 500kg 중량의 하드디스크 수송이 필요했던 이유다.

"남극 관측은 겨울에 이루어지기 때문에 하드디스크를 수송할 수 있는 여름이 될 때까지 6개월이나 기다려야 했습니다"

전세계의 국제 회원과의 협업은 클라우드 컴퓨팅 등을 활용함으로써 가능하게 되었다.

"6개의 논문을 다루고 있는 동안, 전세계 EHT멤버의 계산 요구에 부응하기 위해 동해안과 서해안에 있는 2개의 구글 데이터센터에서 20개 이상의 강력한 가상머신을 가동시킬 때도 있었습니다"

정말 블랙홀의 모습인가?

우리가 볼 수 있는 우주의 정보는 빛이나 전자파에 의해 전달되어 지구에 도착한다. 블랙홀은 아주 강한 중력으로 빛은 물론 전자파도 흡수할 것이다. 우리가 볼 수 있는 것은 그 주변을 선회하는 고온의 먼지와 가스이다.

"블랙홀에는 되돌릴 수 없는 곳, 즉 '사건의 지평선'이라는 곳이 있습니다. 거기에서는 빛조차 도망갈 수 없습니다. 그 주위의 빛은 우리에게 도착하지만, 이 사건의 지평선은 깜깜한 구멍으로 이미지의 중심에 남아있을 것입니다"라고 헤리아르 · 오제르 교수는 설명한다.

연구팀이 발표한 사진은 블랙홀 자체가 아니라 그 강력한 중력에 의해 생성된 주변 구조의 모습이라고 한다.

몇 년에 걸쳐 개발된 알고리즘이 수수께끼를 풀었다

이 사진을 가장 먼저 보았을 EHT팀의 일원, 하버드 스미소니언 천체물리학센터에서 연구원으로 종사하는 케이티 보먼 박사는 가족에게조차 숨기고 있던 성과를 마침내 공개할 수 있게 되어 기뻐했다. 3년 전 매사추세츠 공과대학에서 컴퓨터과학 대학원생이었을 때부터 블랙홀의 이미지를 생성하는 알고리즘에 착수했다는 우먼 박사는 회견에서 흥분한 기색으로 다음과 같이 말하고 있다.

"이 사진은 정말 많은 것을 가르쳐줍니다. 이론적으로 블랙홀이 링 모양으로 보일 것이라고 시사되고 있었지만, 설마 우리가 촬영한 사진에 링 모양의 물체가 나타나리라고는 생각도 하지 않았습니다. 단지 빛의 덩어리가 찍힐 것으로 생각했습니다"　

이번에 발표된 블랙홀의 이미지는 보먼 박사의 알고리즘에 의해 렌더링 된 것이다. 500kg의 하드디스크가 꽉 찰 정도로 대용량인 원본 이미지 데이터는 노이즈 투성이로 난잡해져 있으며, 그것을 하나의 질서있는 이미지로 구축하는 알고리즘의 생성은 실로 몇 년이 걸렸다.

"링이 보였다, 그리고 그 크기가 완전히 다른 측정 방법으로 채택된 데이터와 완전히 일치하는 것 자체가 큰 과학적 도약이라고 생각합니다"라고 말하는 보먼 박사는 EHT팀의 일원으로서 연구를 계속하면서, 곧 캘리포니아 공대에서 계산수리과학 부교수로서 새로운 출발을 맞이 할 예정이다.

역시 아인슈타인의 일반상대성 이론이 옳았다

'만약 아인슈타인이 타당하다면, 우리는 블랙홀 '그림자'의 형태와 크기를 매우 정확하게 예측할 수 있습니다. 사실 그것은 거의 완전한 원형을 그리는 것입니다. 우리가 관측한 M87도 거의 완전한 원을 그리고 있었습니다. 따라서 아인슈타인의 이론이 잘못되었다는 증거는 없습니다"라고 소루티스 교수는 말한다.

EHT는 1.3mm 전파와 동시에 X선과 감마선으로도 블랙홀을 관측하고 있어, 그 결과가 기다려진다.

우리은하의 중심부에 위치한 블랙홀의 데이터도 얻었으며, 이것도 분석 대기 중이다. 이외에도 M87에서 발견한 블랙홀 제트가 어떻게 생성되는지에 대한 수수께끼도 해명할 수 있는 잠재력이 있다.

100년만에 정확한 답을 얻은 천문물리학적 물음. 위대한 아인슈타인은 또다시 옳았던 것이다.