우주 형성과정의 규명으로 이어질 블랙홀의 신비

1916년 독일의 천체물리학자 칼 슈바르츠실트는 아인슈타인의 일반상대성 이론의 방정식으로, 세계 최초로 '블랙홀'이라는 천체의 존재를 이끌어 냈습니다.
그 후, 전파나 적외선, 가시광선, X선 등 다양한 파장의 빛을 사용하여 우주를 관측할 수 있게 되어, 거의 모든 은하의 중심에는 매우 강한 중력으로 모든 것을 흡입하면서 성장하는 블랙홀이 존재하는 것으로 나타나고 있습니다.

"블랙홀에 대햔 이해는 은하, 나아가 우주의 형성 과정을 이해하는 데 도움이 됩니다. 따라서 수많은 천문학자들이 블랙홀에 주목하고 있는 것입니다. 어린시절, 블랙홀이라고 하면 정체를 알 수 없는 것이라고 생각했지만, 학창시절, 블랙홀을 간접적으로 실제로 관측할 수 있다는 사실을 알고,이 길로 나아가는 것을 결정했습니다'고 말하는 국립천문대 천문시뮬레이션 프로젝트의 카와시마 특임연구원.

관측이 진행중인 블랙홀

별 정도의 질량을 가진 블랙홀에 초점을 맞추어 보자. 모든 별은 우리처럼 수명이 있습니다. 그 일생은 수천만 ~ 수십억 년으로 알려져 있으며, 수명을 다하면 별은 더 작고 밀도가 높은 천체로 바뀝니다. 밀도는 원래 별의 질량에 의해 결정됩니다. 태양 질량의 별은 1cm 각의 체적 질량이 약 1t인 '백색 왜성'이 되고, 태양의 8 ~ 30배 질량의 별은 1cm 각의 체적의 질량이 약 5억t인 '중성자별'이 됩니다. 더 무거운 별은 1cm 각의 체적 질량이 200억t 이상에 이르는 블랙홀이 될 것입니다.

시공은 천체의 중력에 의해 왜곡될 수 있다고 아인슈타인에 의해 처음 제창되었습니다. 서두에서 소개한 칼 슈바르츠실트는 아인슈타인 방정식을 풀어, 실제 우주에서 어떤식으로 생성되는지에 대해서는 제쳐두고, 블랙홀의 해가 존재하는 것을 보여주었습니다. 후속 연구를 통해 별의 최후에 기인한 초신성 폭발로 너무 밀도가 높아진 천체는 자신의 중력을 지탱하지 못하고 중심을 향해 수축을 계속하여 시공을 크게 왜곡하고 결국 시공에 구멍을 뚫어버리는 것을 알 수 있었습니다. 그 천체가 블랙홀이라는 것입니다.

블랙홀은 중력이 매우 강하기 때문에 일단 블랙홀에 빨려들어가 버리면, 빛조차 탈출할 수 없습니다. 빛과 물질이 탈출하지 못하는 경계는 '사건 지평선'이라고 불리고 있습니다.
사건 지평선의 안쪽에서는 빛조차도 탈출할 수 없기 때문에, 블랙홀의 직접적인 관찰을 할 수 없습니다. 그러나 블랙홀 주위의 물질을 관찰함으로써 간접적으로 관측할 수 있습니다. 블랙홀 근처에 있는 천체와 천체에서 흘러나오는 물질은 각운동량을 가지고 있기 때문에 곧바로 블랙홀에 빨려들어가는 것은 아니고, 블랙홀 주위를 소용돌이 치면서 서서히 떨어져 가는 것을 알 수 있습니다. 이 소용돌이를 '강착원반'이라고 합니다.

블랙홀의 강착원반과 제트. 이미지 중심의 검은 동그라미가 블랙홀 (NASA / JPL-Caltech 제공)

또한 블랙홀에 완전히 빨려들어가지 않은 물질의 일부는 제트가 되어 강착원반의 표면에서 수직으로 힘차게 분출됩니다. 제트는 가늘게 좁혀진 ​​고온의 가스 흐름으로, 빛의 속도의 99%에 이릅니다.

그리고 블랙홀 주변에서는 윈드라는 제트보다 느린 분출류도 확인되고 있습니다. 강착원반과 제트, 윈드에서 다양한 파장의 빛이 방출되어, 전파 및 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등으로 관측되고 있습니다.

블랙홀이 은하에 미치는 영향

빛을 방출하거나 제트, 윈드를 분출시키거나 하려면 엄청난 에너지원이 필요합니다. 이 에너지의 근원이 블랙홀의 중력에너지이며, 그것을 열 등의 에너지로 변환하는 것이 강착원반입니다. 강착원반의 내부 물질과 외부 물질의 회전 속도가 다릅니다. 중력은 안쪽으로 갈수록 강하기 때문에 내부가 더 빨리 회전하고 회전 속도의 차이에 의해 원반에 마찰열이 발생합니다. 이 열에서 빛이 나오는 것입니다. 또한 이 때 태어난 빛의 압력(방사압)이나 자기장이 제트를 가속시키고 있다고 생각할 수 있습니다.

이들이 주변의 은하에 강한 영향을 주고 있는 것은 상상하기 어렵지 않습니다. 그러나 어느 정도 은하의 형성과 진화에 영향을 미치는지에 대해서는 거의 알려져 있지 않습니다. 그 원인은 에너지원인 강착원반과 제트의 메커니즘이 복잡하여 계산을 푸는 것이 힘들기 때문입니다. 어느 정도의 에너지가 어느 방향으로 빛과 제트 그리고 윈드가 방출되는지는 미해명 상태입니다.

그래서 가와시마 씨는 블랙홀 주위의 플라즈마(강착원반과 제트, 윈드)의 관측 결과와 비교하면서, 슈퍼컴퓨터를 사용하여 수치 시뮬레이션을 실시. 강착원반에 대한 이해를 통해 블랙홀 자체와 블랙홀과 은하의 관계에 대해 규명하려고 노력하고 있습니다.

NASA Visualization Shows a Black Hole's Warped World NASA

한계를 넘어 밝아진 블랙홀의 강착원반과 신비의 X선원

현재 블랙홀은 질량의 차이에 따라 3종류로 나눌 수 있습니다. 우선, 태양의 약 10배 질량의 '항성질량 블랙홀', 태양의 100 ~ 1만 배 질량의 '중간질량 블랙홀' 그리고 태양의 100만 ~ 100억 배 질량의 '초거대질량 블랙홀'입니다.
이것들은 형성과정이 다르다고 생각됩니다. 항성 질량 블랙홀은 서두에서 언급했듯이 별이 수명을 맞이할 때 일어나는 초신성 폭발로 형성될 수 있다고 믿고 있습니다. 그러나 초거대질량 블랙홀의 형성과정은 거의 알려져 있지 않습니다. 현재는 블랙홀끼리의 합체와 초임계강착이라는 두 가지 시나리오가 있습니다.

한편, 중간질량 블랙홀에 대해서는 다양한 논의가 이루어지고 있습니다. 현재 고휘도 X선원이라는 매우 밝은 천체가 500개 이상 관측되고 있으며, 그 중심에 중간질량 블랙홀이 존재할 가능성이 나타나고 있습니다. 왜냐하면 에딩턴 한계는 블랙홀의 질량에 비례하므로 질량이 충분히 큰 경우에는 에딩턴 한계를 초과하지 않아도 매우 밝게 빛날 수 있기 때문입니다. 중간질량 블랙홀의 합체와 중간질량 블랙홀의 질량 강착은 초거대형질량 블랙홀의 형성 시나리오 중 하나로 여겨지고 있습니다. 그러나 고휘도 X선원의 중심에있는 블랙홀이 초임계강착에 의해 빛나고 있다고한다면, 고휘도 X선원의 정체는 항성질량 블랙홀이 되어, 새로운 시나리오를 생각하지 않으면 안됩니다. 따라서 현재 고휘도 X선원은 블랙홀의 성장을 생각하는데 있어서 중요한 요소의 하나가되고 있습니다.'라고 카와시마 씨는 말합니다.

컴퓨터 시뮬레이션으로 블랙홀 강착원반의 새로운 복사 스펙트럼 상태에 접근
현재 초임계강착 블랙홀의 복사 스펙트럼의 관측 결과는 적고, 이론 연구도 많이 진행되고 있지 않습니다. 그래서 가와시마 씨가 진행하고 있는 것이, 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 초임계강착 블랙홀의 복사 스펙트럼의 계산입니다.
"지금까지 발견된 중요한 것 중 하나는 초임계강착은'콤프턴 산란'과 '역콤프턴 산란'이 깊이 관여하고 있다는 것입니다. 시뮬레이션에 콤프턴 산란과 역콤프턴 산란의 계산식을 넣으면 관측 결과와 정확히 일치하는 반면, 넣지 않으면 관찰 결과와 전혀 다른 결과를 얻을 수 있습니다"라고 말하는 카와시마 씨.

콤프턴 산란은 빛이 전자와 충돌하여 빛의 주파수가 원래 주파수보다 작게되는 현상을 말하며, 빛에서 전자로 에너지가 전달됩니다. 전자의 온도가 빛의 온도보다 높은 영역에서는 반대로 전자에서 빛으로의 에너지 전달되는 역콤프턴 산란이 일어납니다. 즉, 초임계강착에서는 빛과 전자 사이의 에너지 전달이 중요한 요소가 되고있는 것이 판명되었습니다. 이 계산에 의해 블랙홀 강착원반의 새로운 복사 스펙트럼 상태의 존재가 나타났습니다.

또한 카와시마 씨는 일반상대성 이론과 자기장의 효과를 포함한 시뮬레이션에 의한 방사 스펙트럼 계산에 착수하고 있습니다. "조금 전의 빛(복사)과 물질의 흐름을 다루는 '복사유체 시뮬레이션'을 통해 초임계강착하는 항성질량 블랙홀을 시뮬레이션 방사 스펙트럼으로 계산하여 고휘도 X선원의 X선 스펙트럼을 처음으로 재현할 수 있었습니다. 최근에는 세계적으로 초임계강착에 대한 관심이 높아지면서 눈부신 진전이 있습니다. 이번 저의 계산에서는 근사 모델에서만 취급하던 일반상대성 이론과 자기장의 효과도, 동시에 푸는 '일반상대론적 복사자기유체 시뮬레이션'을 시작했으며, 초임계강착의 제트 분출 메커니즘이나 고온 플라즈마의 형성 메커니즘이 서서히 알게 되었습니다.'
앞으로는 일반상대론적 복사자기유체 시뮬레이션에 의한 블랙홀 강착원반의 복사 스펙트럼 계산에 도전함으로써 블랙홀에 대한 이해를 높이고, 은하, 그리고 우주 성립의 수수께끼에 더욱 다가갈 계획입니다.

출처 참조 번역
宇宙の成り立ちの解明につながるブラックホールの謎に迫る
http://www.jicfus.jp/jp/promotion/pr/mj/2015-7/

宇宙の成り立ちの解明につながるブラックホールの謎に迫る | 計算基礎科学連携拠点