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길이 269미터 · 높이 53미터 · 총중량 4만 6328톤으로 당시 세계 최대의 여객선이었던 타이타닉은 1912년 4월 14일 북대서양 위에서 빙산에 접촉하여 침몰했습니다. 피해자가 1500명 이상이라는 20세기 최대의 해난 사고인 타이타닉호의 침몰은 몇 번이나 영화나 소설의 소재가 되어 전해지고 있습니다. 그런 타이타닉호의 침몰에 오로라가 관련되어 있다는 가설이 발표되었습니다.

A possible role of space weather in the events surrounding the Titanic disaster - Zinkova - - Weather - Wiley Online Library
https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/wea.3817

Did the aurora borealis play a role in sinking the Titanic?
https://phys.org/news/2020-09-aurora-borealis-role-titanic.html

타이타닉이 침몰한 직접적인 원인은 빙산과의 접촉하지만, 왜 빙산에 충돌해 버렸는지, 그리고 왜 몇 시간이라는 빠른 속도로 침몰하여 버렸는지는 알려지지 않았고 '직전 일어난 화재로 인한 강도 저하', '키잡이의 조선 미스', '보험 목적의 음모', '미라의 저주' 등 다양한 가설이 제기되고 있었습니다.

타이타닉호는 접촉 직전까지 다른 선박으로부터 빙산에 대해 경고하는 무선을 받았었고 감시역이 거대한 빙산의 존재에 대해 인식하고 경고했었지만, 배의 조타가 늦어 회피에 실패. 선체에는 2미터 정도의 균열이 발생했습니다. 최종적으로 선체 중앙이 둘로 갈라져 불과 3시간 만에 침몰했다는 사실은 생존자의 증언이나 침몰한 타이타닉의 심해 조사 등에서 밝혀지고 있습니다.

기상학자인 미라 진코봐 씨는 생존자의 목격 증언에서 '타이타닉이 침몰한 밤에 오로라를 보았다'라는 부분에 주목했습니다. 사고가 있었던 밤은 달이 뜨지 않았었고, 오로라 빛이 바다에 떠 있는 승객을 비추어 있지 않았다면, 구조 활동은 더 어려웠을 것이었다고 진코봐 씨는 추측합니다.

거기에 더해 진코봐 씨는 "만약 그날에 오로라가 없었다면 타이타닉은 침몰하지 않았을지도 모릅니다"라고 주장하고 있습니다. 오로라는 태양에서 불어오는 태양풍이라는 하전 입자가 지구의 대기와 충돌하여 발광하는 현상입니다. 진코봐 씨는 이 하전 입자가 자기장 신호와 전기 신호를 방해할 가능성을 지적하고 있습니다.

예를 들어, 타이타닉 침몰 사고의 공식 보고서에는 "아마추어 무선 운영자가 타이타닉과 다른 선박과의 통신을 방해하는 전파를 발생시켰다"고 비난하는 증언이 기록되어 있는데, 이 방해 전파야말로 태양풍에 의한 통신 장애였을 가능성을 진코봐 씨는 지적합니다. 또한 당시 무선국의 사람은 태양풍에 의해 발생하는 통신 장애를 파악하지 못했을 것이라고 추측하고 있습니다.

최악의 경우 태양풍의 영향으로 항해 장치에 이상이 생겼을지도 모른다고 진코봐 씨는 주장하고 있습니다. 예를 들어, 선박의 진로를 결정하는 나침반에도 태양풍이 영향을 미칠 수 있고, 0.5도의 진로의 차이가 선박의 조타를 방해하여 생사를 가르게 되었을지도 모른다고 말합니다.

태양풍이라는 우주 날씨가 타이타닉호 침몰 사고의 원인이라는 진코봐 씨의 가설에 대해 과학 뉴스사이트 Phys.org는 "오로라가 선박의 항해 장비를 오작동나게 했다면, 현대의 선박도 같은 현상을 경험하고 있습니까?", "오히려 오로라가 더 명확하게 바다를 비추어 더 빨리 빙산에 주의했을 것"이라는 회의적인 시각을 보이고 있습니다.

원주율은 2020년 현재 소수점 이하 50조 자리까지 계산될 정도로 엄청난 자릿수를 가지는 숫자입니다. 일반적으로 '3', '3.14'와 같은 숫자로 계산되지만 자릿수가 잘리는 만큼 결과의 정확도는 손상되어 버립니다. 정확함이 필요한 우주개발 현장에서는 '원주율을 몇 자리까지 사용하고 있는가?'라는 질문에 대해 미국의 항공우주국(NASA)가 실제로 사용하는 값과 그 이유에 대해 답변합니다.

How Many Decimals of Pi Do We Really Need? - Edu News | NASA/JPL Edu
https://www.jpl.nasa.gov/edu/news/2016/3/16/how-many-decimals-of-pi-do-we-really-need/

'NASA의 제트 추진 연구소(JPL)는 원주율을 계산에 사용할 때, '3.14'를 사용하고 있습니까? 아니면 소수점 이하 300자리 정도의 긴 값을 사용하여 있는 겁니까?'라는 질문이 NASA의 Facebook에 작성되었습니다.

NASA의 Dawn mission 책임자 겸 수석엔지니어인 마크 레이맨 씨는 이 질문에 "JPL의 행성 간 항행시스템의 가장 정확한 계산은 소수 15자리로 반올림된 '3.141592653589793'을 사용하고 있습니다"라고 대답했습니다.

레이맨 씨에 따르면, 원주율을 사용하는 데 있어 적절한 수준의 오차를 고려하여 소수의 절단을 실시하고 있다는 것. 레이맨 씨는 "과학자가 실시하는 물리적인 실제 계산에는 소수점 이하의 수치를 많이 포함하지 않아도 되는 경우가 많습니다."라고 말합니다. 실제 NASA에서 이루어지고 있는 원주율을 사용한 계산의 예를 3가지 들면서, 원주율과 오차에 관해서 설명하고 있습니다.

◆ 1 : 지구
지구 둘레를 생각하면, 적도의 위치를 기준으로 하면 직경은 약 7926마일(약 1만 2742km). 소수 15자리로 반올림한 원주율을 사용하면 지구 둘레는 약 2만 4900마일(약 4만km)입니다. 이 때 생기는 오차는 나노미터 단위로 분자 1개분의 크기 정도라는 것. "물론 분자에는 다양한 종류가 있으며, 크기도 다양하지만, 이 예가 이해에 도움이 되었으면 합니다. 자릿수를 늘리지 않은 원주율 의한 오차는 머리카락 1개의 1만분의 1 정도입니다."라고 레이맨 씨는 설명합니다.

◆ 2 : 보이저 1호
레이맨 씨는 지구에서 가장 먼 거리에 도달하고 있는 우주선 보이저 1호도 예로 들어 설명합니다. 보이저 1호는 현재 지구에서 약 125억 마일(약 201억 1680만km) 이상 떨어진 곳에 존재하고 있습니다.

'만일 125억 마일의 반경을 가지는 원형이 있다고 가정하고, 원주율을 소수 15자리로 반올림해 계산하면 원주는 780억 마일(약 1255억 2883만km)을 갓 넘긴 값이 됩니다. 주의할 점은 '값이 정확한지'가 아니라 '원주율의 자릿수를 줄인 영향으로, 얼마나 오차가 발생했는지' 입니다. 소수점 이하 15자리까지의 원주율은 원주에 약간의 오차가 있을 수 있지만, 반경 125억 마일의 원형의 둘레를 계산했을 경우의 오차는 약 1.5인치(약 3.81cm)밖에 되지 않습니다. 생각해보십시오. 780억 마일 이상의 원형 원주에 대하여 그 오차는 인간의 새끼손가락 길이 정도입니다"라고 레이맨 씨는 말합니다.

◆ 3 : 우주
"존재할 수 있는 최대 크기, 우주의 크기로 생각하자. 우주의 반경은 약 460억 광년입니다. 만약 반지름 460억 광년의 원형의 둘레를 가장 간단한 원자인 수소 원자의 직경 0.1나노미터 정도의 오차밖에 생기지 않도록 정확하게 계산하려면 원주율은 몇 자리가 필요할까요?"라고 레이맨 씨는 묻습니다.

레이맨 씨에 따르면, 대답은 '소수점 이하 39자리 또는 40자리가 필요'하다는 것. "우주가 얼마나 환상적이고 광대한지 생각해보십시오. 가장 어둡고 아름다운 별로 가득한 밤을 눈으로 볼 수 있지만, 우주는 우리가 상상할 수 있는 범위를 훨씬 초과하고 있습니다. 그리고 1개의 원자는 엄청나게 작다는 것을 생각해보십시오. 원자에서 우주까지 전 범위를 커버하기 위해 수십 자리의 원주율을 쓸 필요가 없다는 것을 알 수 있습니다"라고 레이맨 씨는 말합니다.

큰 질량의 별은 일생을 마칠 때 '초신성 폭발'이라는 대규모 폭발을 일으킬 수 있습니다. 이 초신성 폭발의 잔해가 지구 심해에서 발견됨에 따라, 지구를 포함한 태양계가 우주를 이동하고, 그 와중에 지구에 흩뿌려졌을 가능성을 시사하는 연구가 발표되었습니다.

60Fe deposition during the late Pleistocene and the Holocene echoes past supernova activity | PNAS
https://www.pnas.org/content/117/36/21873

Ancient star explosions revealed in the deep sea
https://phys.org/news/2020-08-ancient-star-explosions-revealed-deep.html

Earth Appears to Be Travelling Through The Debris of Ancient Supernovae
https://www.sciencealert.com/earth-might-be-moving-through-the-debris-of-ancient-supernovae

연구를 발표한 호주국립대학의 원자핵 물리학자 안톤 워르너 교수가 이끄는 연구팀은 중이온 가속기 시설(HIAF)의 초고감도 질량분석기를 이용하여 해저 부분에서 채취된 3만 3000년 전의 퇴적물을 조사했습니다.

그 결과, 철 동위원소이자 방사성 물질인 60Fe의 흔적을 발견했다고 워르너 교수는 발표했습니다.

반감기 260만 년의 60Fe는 완전히 붕괴할 때까지 1500만 년 정도 걸리는 데, 초신성 폭발 등의 핵융합 반응에서 발생하는 것으로 알려져 있습니다.

지구의 나이가 약 46억 년이기 때문에 3만 3000년 전 해저 퇴적물에서 발견된 60Fe는 처음부터 지구상에 존재한 것이 아니라 외계에서 온 물질일 가능성이 높다고 워르너 교수는 주장합니다.

지난 수천 년 동안 지구를 포함한 태양계는 국부항성간운(LIC)라고 불리는 가스와 먼지운 속을 이동해 온 것으로 알려져 있습니다. 이 LIC의 기원은 분명하지 않지만, 60Fe가 LIC 유래라고 추정한다면, LIC는 초신성 폭발에 의해 발생한 것으로 생각됩니다.

워르너 교수에 따르면, 지금까지의 연구에서도 260만 년 전과 600만 년 전 해저 퇴적물에서 60Fe가 발견된 것으로 확인되었다고 합니다. 시대에 따라 60Fe의 양에 차이가 보여, 해저 퇴적물에서 발견된 60Fe는 우주에 균일하게 존재하는 물질이 아니라 태양계가 LIC를 통과했을 때 초신성의 잔해가 외계로부터 흩뿌려져 내린 것을 시사하고 있다고 말할 수 있습니다.

워르너 교수는 "최근의 논문에서는 먼지에 포함된 60Fe가 성간물질로 떠돌고 있을 가능성이 제시되어 있습니다. 그리고 성간의 60Fe는 더 오래된 초신성 폭발에서 유래하고 있어, 우리가 검출한 것은 태고의 초신성 폭발을 반영한 것입니다."라고 말하며, 다른 시대의 해저 퇴적물에 포함된 60Fe의 검출을 향후 연구 과제로 꼽았습니다.

천체물리학 박사연구원인 Denis Vida 씨가 '포물선을 그리며 밤하늘을 이동하는 물체'의 동영상을 Twitter에 공개했습니다. Vida 씨는 "운석이 우주로 튕겨졌다"고 적고 있습니다.

https://twitter.com/i/status/1308553949255999489

다음 이미지에 비치는 하얀 선은 운석이 이동한 궤적을 나타내며 빨간색으로 둘러싼 부분이 실제 운석의 모습입니다. 운석은 수평 방향으로 이동하다.....

포물선을 그리듯 날아갔습니다. Vida 씨에 따르면 운석이 초속 34.1km로 대기권에 돌입해, 지상에서 약 91km의 고도에 위치한 열권에서 튕겨져 우주로 돌아갔다고 합니다.

오사카대학의 우주지구화학 교수인 TaraKen 씨에 따르면, 운석이 얕은 각도로 대기에 침입하면 드물게 수면에서 튀어오르는 물제비와 같은 현상이 발생한다고 합니다.

운석이 대기권에서 튕겨졌다고 해서 반드시 우주로 돌아가는 것은 아니고, 대기권에서 튀어 감속하여 손상이 적은 큰 덩어리의 상태에서 지구로 낙하하는 호바운석 같은 경우도 존재합니다.

지구 주변의 궤도를 비행하는 물체(우주왕복선이나 인공위성 등)의 표면 온도는 기기를 구성하는 물질의 태양광(적외선) 흡수 정도와 그 표면에서 열을 방출하는 정도에 따라 달라집니다. 대략적인 값은 음영인 부분은 마이너스 150도, 태양광에 노출된 부분은 플러스 120도 정도입니다.

백색 재료는 적외선을 잘 흡수하지 않고 열을 방출하지 않기 때문에 비교적 온도 변화가 적습니다. 한편 검은 색 재료는 적외선의 흡수는 좋지만, 열을 방출하기 쉬워서 태양광이 닿으면 고온이 되고 그늘지면 반대로 저온이 됩니다.

인공위성 등은 이러한 재질을 잘 조합하여 적당한 온도 범위가 되도록 설계되어 있습니다. 그래도 온도가 너무 극심하면 히터를 추가하거나 방열판(라디에이터)을 추가할 수 있습니다.

우리은하에 추정 나이 132억 년인 별이 존재한다는 연구결과가 발표되었다. 나이를 알고 있는 존재로는 가장 고령으로, 사실이라면 빅뱅에서 단 5억 년 후에 탄생한 것이다. 우리의 은하계도 그 무렵에 형성되었을지도 모른다.

유럽남방천문대(ESO)의 천문학자 등으로 구성된 연구팀에 따르면 우리 은하계에 존재하는 별 HE 1523-0901의 나이는 132억 년 전후이다. 46억 살이라는 태양의 나이에 비하면 훨씬 고령으로, 현재 추정되고 있는 우주의 나이 137 억 년에 필적한다. 우주의 역사가 시작된 시점부터 생존한 귀중한 존재이다.

천문학자들이 이 별의 나이를 측정하는 방법은 고고학자가 자주 사용하는 수단에 가깝다.

고고학은 시료에 포함된 '탄소14'의 비율에서 그 연대를 구한다. 탄소14는 자연계의 탄소에 아주 작은 비율로 포함되어 있으며, 어느 정도 시간이 지나면 방사선을 방출하고 다른 원소로 변해 버린다. 이러한 원소는 '방사성 원소'라고 되어 있고, 다른 원소로 바뀔 때까지 시간 단위를 '반감기'로 표현할 수 있다. 반감기는 일정량의 방사성 원소 중 절반이 변화해 버리는 시간으로, 탄소14의 경우는 약 6천 년. 살아있는 식물에 포함된 탄소14의 양은 일정하고 죽은 시점부터 줄어드는 점을 이용하여 목재 등에 포함된 탄소14의 비율을 측정하면 그 연대를 역산할 수 있다.

그러나 '탄소14'에서 측정할 수 있는 기간은 고작 수만 년. 100억 년 이상의 연대 측정을 하려면 반감기가 끝없는 방사성 원소를 선택해야 의미가 있고, 후보는 두 가지로 좁혀진다. 토륨232(반감기 140억 년)와 우라늄238(44.7억 년)이다. 둘 다 무척 무거운 원소로 막대한 에너지 방출을 동반하는 초신성 폭발로 만들어진다. 연구 그룹은 이 밖에도, 오스뮴과 이리듐 등 역시 초신성 폭발이어야 만들어지는, 하지만 방사성이 아닌 원소도 측정했다. 토륨232와 우라늄238가 이들 원소에 비해 적을수록 그 별은 고령이라고 말할 수 있을 것이다.

토륨과 우라늄, 그리고 비교에 사용된 원소는 모두 수소와 헬륨 등 별의 주원료에 비하면 무척 존재량이 적다. 따라서 관측은 난해했다. HE 1523-0901는 예외적으로 우라늄 등의 비율이 높아 연대를 측정할 수 있는 몇 안 되는 별이다.

'132억 년'이라는 결과도 전후 20억 년의 오차가 있다고 연구진은 생각한다. 정확성을 높이기 위해서는 HE 1523-0901과 같은 항성을 더 찾아야 한다. 다만 이번 결과가 최근의 관측에 근거 우주 나이와 일치하는 점과 HE 1523-0901를 포함한 은하계가 100억 년 전에 형성되어 있었다는 것으로 나타났다는 것만으로도 성과라고 말할 수 있다.

출처 참조 번역
推定年齢132億歳の恒星、天の川銀河に発見
https://www.astroarts.co.jp/news/2007/05/16galactic_fossil_star/index-j.shtml

무엇인가가 태어날 조짐 ​​...?

직경 약 10만 광년에 달하는 우리은하에는 대략 2,000억 개의 별이 빛나고 있습니다. 별과 별 사이에는 가스나 먼지가 떠다니고, 고농도의 부분은 성간가스구름이라고 하며, 광대한 은하계 곳곳에 자리잡고 있습니다.

이러한 가스구름 중 하나에서 162일 간격으로 감마선을 방출하고 있는 것이 발견되었다고 합니다. 더욱 놀라운 것은 이 'Fermi J1913+0515'라고 되어있는 가스구름은 100광년 떨어진 곳에 있는 블랙홀의 활동과 훌륭하게 싱크로 하고 있다고 합니다.

8월 17일자로 Nature Astronomy에 게재된 논문이 밝힌 바로는, 10년 이상의 관측데이터를 기초로 독일 · 스페인 · 중국 · 미국의 연구자들이 공동으로 발견했다고 합니다. 어떻게 싱크로하고 있는지, 왜 싱크로 하는지는 아직은 규명되지 않은 것 같습니다.

마이크로 퀘이사의 고동

여름 별자리의 대표 주자, 독수리자리. 그 독수리자리의 부근, 지구에서 1만 5000광년 떨어진 곳에, 육안으로는 보이지 않지만 'SS433'라는 특수한 천체가 확인되고 있습니다.

SS433은 인류가 처음 발견한 '마이크로 퀘이사'. 퀘이사란 은하의 중심에서 소용돌이치는 초거대 블랙홀이 대량의 물질을 삼키면서 빛나고 있는 모습으로, 상하로 뿜어내는 2개의 제트가 특징입니다. 마이크로 퀘이사도 이와 비슷한 구조로 두 개의 제트를 가지고 있습니다.

물론 마이크로 퀘이사에도 블랙홀이 숨어 있습니다. 하지만 퀘이사급의 블랙홀과 비교하면 소형인 것 같습니다. SS433의 블랙홀은 10~20태양질량 정도로 그 옆에는 30태양질량 정도의 항성이 있고, 둘은 중력으로 상호작용하면서 서로를 빙빙 도는 '근접 연성'의 관계에 있습니다.

작지만 강력한 중력을 가진 SS433 블랙홀은 옆의 별에서 대량의 가스를 벗겨내고 있습니다. 벗겨낸 가스는 마치 목욕 마개를 빼내면 물이 배수구 주변을 소용돌이치며 즉시 빠져나가지 않는 것처럼, 강착원반에 쏟아져, 빙글빙글 돌면서 점차 블랙홀로 떨어져 간다고 연구의 대표저자인 독일의 전자싱크로트론 소속 Jian Li 씨는 설명합니다.

Li 씨에 따르면 그중 일부의 물질이 강착원반에 팅겨져 블랙홀에 떨어지지 않고, 제트로 상하 수직 방향으로 힘차게 분출된다고 합니다.

제트는 단지 물질을 멀리 날려버릴 뿐만 아니라 감마선이나 X선을 대량으로 방출하고 있다고 합니다. 그래서 페르미 감마선 우주망원경으로 관측하면 제트의 모습을 파악할 수 있다고 합니다.

요동치는 제트

SS433의 블랙홀 주변에 펼쳐지는 강착원반은 블랙홀과 항성의 궤도면과 딱 겹치는 것이 아니라, 약간의 차이가 있다고 합니다.

블랙홀이 팽이 모양을 하고 있다고 상상해보십시오. 이 팽이는 빙글빙글 자전하면서 옆의 항성 주위를 공전하고 있는 것입니다만, 축이 기울어져 있기 때문에 돌면서 휘청거림과 비틀거림이 생긴다고 합니다.

천문학에서는 이 비틀거림을 '세차운동'이라고 합니다. 그리고 이 세차운동이 있기 때문에, SS433의 블랙홀에서 분출되는 제트는 나선형을 그린다고 합니다.

Li 씨 연구팀은 이 나선형으로 나타나는 강착원반의 비틀거림이 무려 162. 25일의 주기로 일어나고 있는 것을 발견했습니다. 위에서 언급한 가스구름 'Fermi J1913+0515'이 감마선을 방출하는 시기와 일치합니다.

지난 10년간 페르미 감마선 우주망원경이 관측한 데이터를 조사한 결과, 역시 SS433의 비틀거림과 Fermi J1913+0515의 감마선 방사는 완전히 일치하는 것을 밝혀냈습니다.

이해할 수 없는 점은, SS433에서 방출되는 제트 2개는 모두 Fermi J1913+0515와 교차하지 않는데 어떻게 동기화되느냐는 점입니다

연구자 Li 씨는 SS433에서 유출하고 있는 양자가 Fermi J1913+0515로 작용하고 있는 것은 아닐까? 라는 가설을 세우고 있습니다. 또한 "간섭성을 유지하기 위해서는, SS433과 Fermi J1913+0515 사이에 자기 터널이 연결되어 있다고도 생각할 수 있습니다"라고 덧붙입니다.

출처 참조 번역
ドクン、ドクン…。100光年離れたブラックホールと同じ鼓動を刻むガス雲の神秘
https://www.gizmodo.jp/2020/08/blackhole-causing-heartbeat-100-lightyears-away.html#cxrecs_s

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.

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.

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/

태양의 85배의 질량을 가진 블랙홀과 66배의 질량을 가진 블랙홀이 충돌하여 합체했을 때 발생한 것으로 간주되는 사상 최대의 중력파가 검출되었습니다. 지금까지 관측되어 온 블랙홀은 대부분 태양 질량의 수십 배 정도인 항성 질량 블랙홀 또는 태양 질량의 100만 배 이상인 초거대 질량 블랙홀로 분류할 수 있었습니다. 하지만 이번에 관측된 중력파는 '중간 질량 블랙홀'이 형성될 때 발생했을 가능성이 지적되고 있습니다.

GW190521
https://www.ligo.org/detections/GW190521.php

A 'bang' in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet - ScienceDaily
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200902082341.htm

2019년 5월 21일 'GW190521'라고 명명된 신호를, 미국 루이지애나에 있는 레이저간섭계 중력파관측소인 LIGO에서 검출하는 데 성공했습니다. 검출된 신호는 4개의 짧은 소폭의 신호로, 지속시간은 10분의 1초 미만으로 매우 짧은 것이었다고 합니다.

첨단 계산 도구 및 모델링 도구를 기반으로 한 분석 결과 GW190521은 약 5gigaparsec(약 163억 광년) 거리에서 발생한 중력파인 것이 판명되었습니다. 이것은 지금까지 발견된 중력파 중 가장 먼 곳에서 발생한 것이라고 합니다. 또한 이 중력파는 블랙홀끼리 충돌하고 합체했을 때 발생한 것일 가능성이 높다고 연구진은 생각하고 있습니다.

지금까지 발견되어 온 거의 모든 중력파 신호는, 두 개의 블랙홀 또는 두 개의 중성자별이 충돌하여 합체했을 때 발생했습니다.

새로 발견된 중력파도 약 85태양 질량의 블랙홀과 약 66태양 질량의 블랙홀이 충돌하고 합체했을 때 발생하는 것으로 분석되고 있습니다. 또한, 2개의 블랙홀이 합체한 결과, 142태양 질량의 중간 질량 블랙홀이 탄생되었다고 추측합니다.

연구팀은 발견된 2개의 블랙홀의 자전을 측정한 결과, 블랙홀이 서로 접근하면서 주회하여, 궤도축과 어긋난 각도로 자전하고 있을 가능성을 발견했습니다. 블랙홀의 회전축이 어긋난 이유로는, 두 블랙홀이 서로를 향해 소용돌이 칠 때 세차운동을 일으켰을 가능성이 있기 때문이라고 지적되고 있습니다.

태양 질량의 142배의 질량을 가진 중간 질량 블랙홀이 탄생한 결과, 8태양 질량에 해당하는 막대한 에너지가 중력파의 형태로 우주 전체에 확산됐다고 연구팀은 주장하고 있습니다.

연구팀의 일원이며, 프랑스의 국립과학연구센터(CNRS)의 연구원이기도 한 넬슨 크리스텐슨 씨는 "이번에 검출된 중력파는 매우 강렬한 것으로 LIGO와 Virgo가 발견한 가장 큰 신호입니다"라며 흥분을 감추지 못합니다.

다음은 2개의 블랙홀이 충돌 & 합체하고, 중간 질량 블랙홀이 탄생하는 순간까지를 수치 시뮬레이션하여, 시각화한 영상입니다.

Numerical simulation of a heavy black-hole merger (GW190521) - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=zRmwtL6lvIM

마지막으로 형성된 중간 질량 블랙홀을 만들어 낸 두 개의 블랙홀도 그 크기에 특징이 있습니다.

항성 진화에 대해, 물리학에서는 별의 핵 속에 있는 광자나 가스에 의한 외적 압력이, 내적으로 향하는 중력에 대항하여 별을 유지하고 태양처럼 안정된 상태를 유지하고 있다고 생각되어 왔습니다. 거대한 별의 핵의 경우, 철과 같은 무거운 핵이 융합하여, 외층을 지지하기 위한 충분한 압력을 낼 수 없게 됩니다. 이런 '외적 압력이 중력보다 낮은 상태'가 되면, 별은 자중(自重)에 의해 붕괴하여 '초신성 폭발'이라는 폭발을 일으켜 블랙홀을 형성합니다. 이 블랙홀의 질량은 원래 별의 절반 이하입니다.

따라서 예를 들어 130태양 질량의 별이 초신성 폭발하면 블랙홀은 최대 65태양 질량일 것입니다. 그러나 130 ~ 250태양 질량의 별의 경우, 초신성 폭발보다 큰 에너지를 방출하는 pair-instability supernova 현상이 일어나기 때문에, 120태양 질량 이상의 블랙홀이 형성되어 버린다고 합니다. 즉, pair-instability supernova 현상이 존재하는 한, 65 ~ 125태양 질량의 블랙홀이 형성되지 않을 것이라고 생각되어 왔습니다.

그러나 이번 발견으로 중간 질량 블랙홀을 형성 한 2개의 블랙홀은 각각 66태양 질량, 85태양 질량이라는 '형성되지 않아야 할 질량을 가진 블랙홀'이었기 때문에, "왜 이 같은 질량의 블랙홀이 형성된 것인가를 많은 천체물리학자가 이해하려고 분주하게 될 것입니다"라고 연구에 참여한 크리스텐슨 씨는 말합니다.

우리가 사는 태양계와 은하계는 팬케익 같이 평평한 회전 원반이다. 젊은 별이나 블랙홀, 쌍성 주위 등에도 가스와 암석의 원반이 있다. 원반은 우주의 도처에 존재하고 막대한 에너지를 방출하며 밝게 빛난다. 이 에너지를 만들어내는 메커니즘은 무엇일까?

원반 내부에서는 물질이 중력에 의해 중심을 향해 떨어지는데. 그 때 손실되는 '중력 포텐셜 에너지'가 물질끼리의 마찰에 의해 열이나 빛이 방출된다. 하지만 이 정도의 에너지를 생산하기 위해서는 대량의 물질이 중심으로 유입되어야 한다. 이러한 질량 유입을 일으키는 메커니즘은 알려지지 않았다.

최근 이 수수께끼에 돌파구를 열었다. 강착원반 내 물질이 전도성을 가지고 자기를 띠고 있다면, 자기장에 의해 원반의 물질 흐름이 불안정하게 되는 것을 알아냈다. 이 불안정성에 의해 난류가 발생하여, 원반 안에서 다양한 물질의 충돌이 일어나고 물질의 유입이 촉진되는 것 같다.

원반은 행성계의 근원이 되는 원시 행성계 원반이나 블랙홀 주위의 원반 등 다양한 종류가 있다. 자기가 유발하는 난류가, 다른 유형의 다양한 원반에서 어떻게 변화하고 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 계속되고 있다. 젊은 별과 활동은하의 핵 등의 원반은 입자 제트를 분출할 수 있다. 이러한 제트와 원반의 난류와의 관련도 주목 대상이다.

우리가 사는 태양계를 만들어 낸 것도 강착원반이었다. 강착원반의 해명은 인류가 어떻게 탄생했는지에 대한 해명으로 이어질지도 모른다.

저자
Omer Blaes
캘리포니아대학 샌타바버라 교의 물리학 교수로 지속적으로 강착원반의 동적 구조를 연구해 왔다. 1985년 이탈리아 트리에스테의 국제첨단연구소에서 Ph.D.를 취득 후, 캘리포니아공과대학과 토론토의 캐나다이론천체물리학연구소에서 박사 후 연구원으로 연구에 종사했다. 전문은 고에너지천체물리학. 강착원반의 연구 외에도 블랙홀이나 중성자별, 백색왜성 등 소형 천체에 관심을 가지고 있다.

원제 이름
A Universe of Disks (SCIENTIFIC AMERICAN October 2004)

최근의 관측을 통해 우리가 사는 은하계를 포함하여 대부분의 은하가 그 중심에 블랙홀이 존재하는 것으로 알려졌습니다. 주위의 가스는 그 주위를 회전하면서 천천히 낙하하며 강착원반을 형성합니다. 그러나 물질의 전부가 블랙홀에 삼켜지는 것은 아니고, 일부는 제트라는 초고속 흐름에 의해 먼 곳으로 방출됩니다. 이번 연구에서는, 은하가 가지는 자기장의 역할을 중시하고, 자기장의 강착원반을 거대한 직류발전기로 취급합니다. 그러자 제트는 그것에 의해 구동되는 리니어 모터인 것을 알 수 있습니다. 이 아이디어는 다양한 은하 중심 활동 현상을 고려할 때 자연스럽고 발전성 있는 모델을 제공하는 것 같습니다.

I. 연구의 배경 · 목적

우리의 태양계는 우리은하에 속해 있습니다. 우리은하는 근처의 안드로메다 은하와 마찬가지로 나선형 팔을 가진 나선은하입니다. 우주에는 이 외에도 팔과 같은 구조를 가지지 않는 타원은하도 존재합니다. 최근의 연구에 의해, 이러한 전형적인 은하의 중심에는 태양의 수백만 배에서 수십억 배의 질량을 가진 초거대 블랙홀이 존재하는 것으로 알려졌습니다.

이전부터 은하 중 극소수는 그 중심이 비정상적으로 활발하고 전자기 방사의 넓은 주파수 영역에 걸쳐 대량의 에너지를 방출하고 있는 것으로 알려져 있으며, 그것들을 '활동은하 중심핵(AGN)'라고 부르고 있습니다. 그 중에서도 전파은하라는 종류는, 제트라는 가늘게 좁혀진 ​​고속 플라즈마류의 대칭이 종종 은하 자신의 규모를 넘는 규모로 관측됩니다. AGN의 에너지원은 블랙홀일 것으로 예상되고 있지만, 특별히 눈에 띄는 활동을 보여주지 않는 보통의 은하도 모두 블랙홀을 가지고 있는 것은 의외의 발견이었습니다. 또한 근처에 있는 보통 은하의 중심에서 약한 전자기 방사선을 조사해 보면, 넓은 주파수 영역에 펼쳐져 있고 거의 AGN과 비슷한 스펙트럼 구조를 가지고 있으며 약하지만, 제트 모양의 구조가 보이는 경우도 있다는 것을 알았습니다. 즉, AGN와 보통 은하의 차이는 그 중심의 구조가 질적으로 전혀 다르기 때문이라기보다는, 블랙홀에 공급되는 가스의 양의 다소와 같은 양적인 차이가 원인이라는 것입니다.

그리고 멀리서 블랙홀을 향해 낙하해가는 물질(가스)은 발전소의 댐에 저장된 물처럼, 낙차에 따라 중력에너지를 개방하고, 이를 전력과 같은 다른 유형의 에너지로 변환하는 능력을 가지고 있습니다. 은하 중심부의 가스는 일반적으로 중력 중심을 제대로 노리고 들어오는 것은 아니므로, 중력의 우물 안에서 회전 운동을 하게 됩니다. 이 때 마찰력이 작동하면, 운동에너지의 일부를 열로 변환하면서 서서히 중심부에 떨어집니다. 따라서 고온 가스는 회전면에서 원반 모양으로 퍼진 구조가 되며, 이를 강착원반이라고 합니다. 비유하자면 우주의 거대한 플라이휠입니다. 본 연구에서는 특히 이 이온화 가스의 플라이휠이 실제로 우주의 자기장 속에서 회전하는 것을 중시하고, 거기에다 그것을 직류발전기로 간주합니다. 이 발전기 모델에 따라, 우선 보통 은하의 중심핵과 스펙트럼에, 그것과 매우 유사한 구조를 나타내는 전파은하 중심핵의 성질을 통일적으로 이해하자는 것이 이 연구의 목적입니다.

II. 주요 성과

강착원반이라는 양도체가 자기장 속에서 회전하기 때문에 생기는 기전력은, 원반상에 직류전류를 구동하고, 그 전류의 쥴발열에 의해 원반은 가열됩니다. 전류는 강착원반의 외부에서부터 고치형 구조의 초(sheath)를 거쳐 극축(중심축) 부근에 도달하고, 귀환전류로 원반내연부에 돌아옵니다. 극축을 중심으로 모인 전류에 작용하는 자기력이, 이 부분에 있는 이온화 가스를 바깥쪽으로 가속함과 동시에, 가늘게 응축하며 작용합니다. 이것이 제트의 생성과정입니다. 즉, 제트는 강착원반 발전기에 의해 구동되는 리니어 모터에 해당하는 것입니다. 이렇게 하여 발전기 모델은, 강착원반 내연부에서 발생하는 제트를, 대국적인 전류의 순환 형태로 자연스럽게 설명할 수 있었습니다. 또한 모델에 따라 원반의 전자기 방사 스펙트럼을 계산하고 우리은하나 전파은하의 중심핵에 대한 관측 결과를, 만족할 만한 정밀도로 재현할 수 있었습니다. 보통 은하와 전파은하의 스펙트럼의 유사성은, 이러한 유형의 중심핵이 블랙홀에 물질공급량(질량의 강착 속도)이 각각의 기준 한계치보다 훨씬 작게 공급되는 것으로 잘 설명할 수 있습니다. 이외에도 강착원반 바깥의 크기를 이론적으로 예언하여, 관측값과 높은 일치를 얻었고, 자기장의 존재가 물질의 강착 속도를 억제하는 효과를 정량적으로 나타내었습니다. 이 강착 속도의 억제 현상은 관측으로 알려져 있었지만 그 이유가 분명하지 않았습니다.

III 향후의 전개

지금까지의 연구에서 질량의 강착 속도가 기준 한계치에 비해 매우 작은 경우에 관해서는, 자기장내의 강착원반의 구조와 성질에 대해 꽤 잘 이해할 수 있었습니다. 전파은하 관측이 시사하는 바에 따르면, 사실 이 케이스는 웅대한 제트가 발달하기 쉬운 환경에 있는 것 같습니다. 따라서 다음 과제는 제트의 형성과 구조에 대한 정량적인 논의를 진행하여, 특히 강착원반 내연부에서의 상승 과정을 규명하고 그와 함께 강착율을 포함하여 그 밖에도 어떤 물리적 요소가 제트 강약을 좌우하는지에 대해 해명해 갈 예정입니다. 이미 제트의 근원에서 충분히 떨어진 영역의 구조에 대해서는 해결한 부분도 있지만, 중요한 것은 역시 근원 부분입니다. 또한 중심부에는 분사되지 않고 그대로 블랙홀까지 낙하한 플라즈마류도 있습니다. 이 부분의 흐름의 구조와 거기에서의 전자방사에 대해서도 해명해야 합니다. 이 영역은 블랙홀의 극히 근방에 있기 때문에 지금까지는 무시할 수 있었던 일반상대론적 효과를 직접 고려할 필요가 있습니다. 따라서 블랙홀의 자전의 영향 등도 논의할 것입니다. 또한 질량의 강착 속도가 훨씬 큰 경우의 강착원반의 구조와 성질 및 다른 여러 종류의 AGN과의 관련 등 많은 과제가 남아있습니다.

IV 학술 논문 등

1. "Analytic Model of MHD Hollow-Cone Jets"
by O. Kaburaki, Prog. Theor. Phys. Suppl. 155, 349-350 (2004).
2. "Viscosity-Driven Winds from Magnetized Accretion Disks"
by D. Maruta & O. Kaburaki, Astrophys. J. 593, 85-95 (2003).
3. "Effects of Winds on Radiation Spectra from Magnetized Accretion Discs "
by N. Yamazaki, O. Kaburaki & M. Kino, Mon. Mot . R. Astron. Soc. 337, 1357-1367 (2002).
4.Effects of Finite Resistivity on Magnetorotational Instabilities in a Realistic Accretion Flow "
by O. Kaburaki, N. Yamazaki & Y. Okuyama, New Astron 7, 283-292 (2002).
5. "Criterion for Generation of Winds from Magnetized Accretion Disks "
by O. Kaburaki, Astrophys. J. 563, 505-511 (2001).
6. "Radiation Spectra from Advection-Dominated Accretion Flows in a Global Magnetic Field"
by M. Kino, O. Kaburaki & N. Yamazaki, Astrophys. J. 536, 788-797 (2000).
7. "Analytic Model for Advection-Dominated Accretion Flows in a Global Magnetic Field "
by O. Kaburaki, Astrophys. J. 532, 210-218 (2000).

연구원
鏑木 修(카부라기 오사무)
Osamu KABURAKI
야마구치 대학 이학부 자연정보과학과 물리학 강좌교수
연락처
e-mail : kaburaki@sci.yamagichi-u.ac.jp

출처 참조 번역
銀河中心のブラックホール発電
https://www.sci.yamaguchi-u.ac.jp/ja/research/science/kaburagi.html

우주에 떠 있는 허블우주망원경(HST) 특유의 웅장한 발견입니다. 미국의 버지니아공대와 우주망원경 과학연구소의 연구원들이 HST에 통한 자외선의 관측데이터를 바탕으로 13개의 퀘이사를 분석한 결과, 그중 3개에서 관측사상 가장 강력한 에너지의 방출을 확인했다고 합니다.

'에너지의 방출'이라고 하면 제트 분사처럼 한 방향으로의 분사를 상상하기 쉽지만, 퀘이사의 경우는 공 대칭의 아웃플로우가 초고속으로 밖으로, 밖으로 퍼져 간다고 합니다. 파도처럼 물결치며 성간 물질과 충돌을 반복하면서 은하 전체에 파급되는 그 거대한 에너지는, 별의 재료가 되는 분자 가스와 먼지 입자를 흩어지게 하여, 새로운 별의 생성을 방해하고 심지어는 은하의 성장을 방해하는 것으로 생각된다고 합니다.

퀘이사란?

'퀘이사'는 우주 최고의 밝기를 자랑하는 천체. 그런데 천체망원경으로 보면 가장 밝은 퀘이사도 13등성 정도의 밝기밖에 되지 않는데, 그 이유는 퀘이사가 훨씬 먼 우주에 있기 때문입니다. 퀘이사로부터의 빛이 지구에 도달하는 데에는 수십억 년이라는 지구의 시간이 지나고 있으므로, 현재 관찰되는 퀘이사는 먼 옛날, 아직 우주가 젊은 시절에 존재했던 과거의 모습입니다.

퀘이사의 중심에는 초거대 질량 블랙홀이 있어, 밝게 빛나는 것으로 생각됩니다. 블랙홀을 향해 물질이 떨어질 때, 그 물질이 가지고 있던 위치에너지가 열에너지로 변환되어 결국 빛이 방출됩니다. 그 밝기는 블랙홀을 품고 있는 은하 전체가 내는 빛의 1,000배에 이른다고 합니다.

은하를 휘몰아치는 폭풍

그만큼 굉장한 퀘이사의 빛은 동시에 엄청난 방사압을 발하고 있습니다. 빛도 압력을 가지고 있어서, 블랙홀의 중력과는 반대 방향으로 방출되는 폭풍같이 격렬한 방출을 일으킵니다.

NASA에 따르면 퀘이사의 폭풍은 광속의 몇 퍼센트에 이르는 초고속으로 은하계 전체에 퍼져서, 먼지 및 가스 등의 성간 물질을 날려버리고, 향후 적어도 1,000만 년간은 계속된다고 합니다. 버지니아공대의 선임연구원으로 이번 연구에 참여한 Nahum Arav 씨에 따르면 '퀘이사에서 파생된 바람은 매년 태양 수백개에 해당하는 질량을 움직일 정도로 파워풀한 것이라고 합니다.

HST 특유의 발견

퀘이사가 내는 격렬한 아웃플로우는 이전부터 이론적으로 존재가 확인되어 있었지만, 직접 관찰된 것은 이번이 처음입니다.

Nahum 씨 연구팀은 HST의 우주기원분광기(COS)를 사용하여 13개의 퀘이사 아웃플로우를 관측했습니다. 아웃플로우가 은하를 앞질러 나갈 때, 성간 물질에 충돌하여 가스와 먼지가 고온에 가열되어 빛을 냅니다. 이 빛을 COS에서 관측하여 스펙트럼이 도플러 효과에 의해 편이하고 있는 것이 밝혀졌습니다. 또한, 이 편이의 정도에서 가스의 속도를 계산한 결과, 빛의 속도의 몇 퍼센트에 달하는 것으로 나타났다고 NASA가 보도 자료를 통해 발표했습니다. HST가 커버하고 있는 자외선 파장대에서만 관측할 수 있는 귀중한 자료입니다.

관측된 13개의 퀘이사 중 3개에서는 사상 최고속의 아웃플로우가 관측되었다고 합니다. 또한, 아웃플로우 중 하나가 3년 동안 초당 1만 9000㎞에서 2만 500㎞까지 가속한 것도 밝혀졌습니다. 앞으로도 더욱 가속화될 것으로 예측되지만 왜 그런지는 아직은 설명할 수 없는 것 같습니다.

은하의 수가 적은 이유

왜 퀘이사가 방사하는 아웃플로우가 이만큼 주목을 받고 있을까? 그 배경에는 이론과 실측치의 차이가 있었습니다.

은하 형성을 설명하는 지금까지의 이론대로라면 이 우주에는 더 많은 은하가 있어야 합니다. 그런데 실제로는 은하의 수가 충분하지 않았습니다. 그래서 어떤 메커니즘에 의해 은하 형성이 저해되고 있다고 생각되었는데, 퀘이사의 아웃플로우로 설명이 가능해질 것으로 기대됩니다.

이번 연구에 직접 참여하지 않았던 우주론 연구자인 Jeremiah P. Ostriker 씨도 "관측된 퀘이사의 아웃플로우을 시뮬레이션에 넣으면 은하 형성의 문제가 풀린다"고 동의합니다. 더 자세하게 알고 싶은 분은 'The Astrophysical Journal Supplements'에서 출시되는 Nahum 씨 연구팀의 연구를 체크하세요.

우리은하는 괜찮아?

우리은하의 중심에도 '궁수자리A*'라는 이름의 초거대 질량 블랙홀이 있다는 합니다만, 퀘이사가 빛나는 훨씬 먼 은하에 비하면 우리은하는 100억 년 이상의 세월을 거쳐 활동성이 떨어져 있고. 중심에 있는 블랙홀도 지금은 많은 물질을 삼키지 않기 때문에, 퀘이사 활동도 정지하고 있다고 생각됩니다.

일설에 따르면, 퀘이사와 같이 매우 높은 광도를 설명하기 위해서는, 태양 1개 이상의 질량을 통째로 블랙홀에 매년 공급해야 한다고 합니다.

태양 1개만큼을 삼킨 반동으로 태양 수백 개만큼의 질량을 옮길만한 강력한 폭풍을 일으키는 블랙홀. 그런 퀘이사가 저 멀어 우주에서 빛나고 있는 광경은 압권이라고 밖에 말할 수 없습니다.

출처 참조 번역
宇宙ではクェーサーによる強大なエネルギーの波が起きている
https://www.gizmodo.jp/2020/03/quasar-huge-energy-wave.html#cxrecs_s

일본 국립천문대의 미요시 마코토 씨가 지적한 내용입니다.

결론부터 말하면, 블랙홀의 이미지는, 천체로부터 신호를 수집하는 과정에서 생긴 샘플링 바이어스(정보의 편향과 같은 것)에 의해 링의 형태로 보이고 있는 것은 아닌가?라는 것입니다.

이 블랙홀 사진은 지구 규모의 망원경 '이벤트 호라이즌 망원경'에 의해 촬영되었는데, 전 세계의 다양한 위치에 있는 망원경을 조합하여 각각 취득한 신호를 하나의 이미지로 구축하였다고 합니다.

얻어진 데이터의 총량은 수 페타바이트(100만 기가바이트)에 이르고, 이 데이터는 독일의 막스플랑크 전파천문학연구소와 미국 매사추세츠 덤불관측소에 설치된 전용 슈퍼컴퓨터에서 처리되었다고 합니다.

이러한 국제 협력으로 이미지를 만드는 일대 프로젝트였습니다.

이미지에 보이는 수수께끼의 꼬리

미요시 씨가 관심을 가지게 된 계기 중 하나가 블랙홀의 사진에 희미하게 비치는 4개의 꼬리.

이것을 직선으로 연결해주면 이런 느낌.

이 선의 폭이 블랙홀의 크기와 일치하는 것을 알 수 있습니다.

원본 데이터와 겹쳐 보면 이런 느낌.

늘어나고 있는 꼬리의 방향과 원본 이미지의 방향이 일치하고 있습니다.

유명한 제트가 보이지 않는 수수께끼

또 다른 계기는, 촬영된 이 M87라는 천체의 유명한 '제트'가 사진에 찍혀 있지 않다는 것입니다.

블랙홀은 강한 중력으로 물질을 흡입하는 한편, 광속의 99.99% 이상의 속도로 물질을 분사하는 '제트'라는 운동을 합니다.

그 유명한 제트가 보이는 이미지

이처럼 분명히 존재하는 제트의 모습이 이번 사진에서는 전혀 보이지 않습니다!

처음부터 데이터가 없기 때문에 도너츠형으로 보인다

이번 블랙홀을 촬영하는 데 사용한 것은 이벤트 호라이즌 망원경. 전 세계에 흩어진 망원경을 이용하여 측정을 하고 있었습니다.

각각의 관측 기계에서 얻을 수 있는 정보는 산발적으로 흩어져 있고, 그것들을 결합하여 하나의 이미지로 정리했습니다.

그 정보의 변화를 정리한 것이 아래의 그림입니다.

색상별로 나뉘어져 세로축은 각각의 신호 세기이고, 가로축은 관측된 신호의 종류를 나타내고 있습니다.

강도 높게 관측할 수 있는 점과 그렇지 않은 점에 변화가 있음을 알 수 있습니다.

아래의 그래프는 세로축은 취득한 데이터 샘플 수, 가로축은 데이터가 가지는 이미지에서의 폭을 보여줍니다.

위 그림에서 대체로 40 부근의 신호가 부족한 것을 알 수 있습니다.

사실 이 결여된 데이터의 부분이야말로 이번 블랙홀에서 보인 링의 폭에 해당합니다.

그러면 실제로 포착된 이미지를 확인하자.

이것은 우리가 본 적이 없는 이미지의 이전 처리 단계입니다.

그러면 중간에 검은, 신호가 적은 상이 떠올라 보입니다.

이와 같이, '정보가 없는' 것이, 마치 중간에 둥근 구조가 '있는 것 같이' 보이는 현상이 일어나고 있습니다.

정보의 부족이 초래한 오해

실제로 '측정하지 못한 것'과 '일어날 수 없는 것'의 사이에는 엄청난 차이가 존재한다는 것을 미요시 씨는 시사하고 있습니다.

빛나는 가스와 별들로 이루어진 거대 성운이 다른 별의 방사선에 의해 우주의 한쪽 구석에서 사라져 가고 있다. 그리고 은하수를 꼭 닮은 나선은하의 중심에서 초거대 질량의 블랙홀이 모든 별을 삼키고 있다. 그런 아름답고도 무서운 우주의 모습을, 탐사선은 담담히 촬영하여 인류에게 사진으로 전달하고 있다.

超大質量ブラックホールに飲み込まれる銀河の姿から、消えゆく「ゴースト星雲」まで：今週の宇宙ギャラリー
輝くガスと星たち
https://wired.jp/2018/12/06/ghost-nebula/

고스트 성운(Ghost Nebula)을 위협하고 있는 것이 있다. 지구에서 불과 1,500광년 거리에 있는 이 성운은 몇 광년 거리에 있는 '카시오페아자리 감마성'에 의해 소멸의 위기에 몰려 있다. 이 강력한 항성에서 방출되는 자외선을 받아 고스트 성운은 Hα(에이치알파)선을 방출하고 있다. 이온화된 수소 원자가 방출하는 휘선 스펙트럼의 하나로, 붉게 보이는 이유이다. 고스트 성운은 결국에는 파괴될 운명인데, 그것으로 끝나지 않는다. 이 영역에 있는 모든 성운이 카시오페아자리 감마성에 의해 천천히 지워져 없어지고 있다.

유럽우주국(ESA)의 탐사선 '마스 익스프레스'가 화성에 있는 그릴리(Greeley) 분화구라는 영역을 촬영하고 16의 화성 궤도에서 수집한 데이터를 조합했다. 황갈색의 평평한 표면에 크기가 다른 다수의 분화구를 볼 수 있는데, 이것은 화성의 이 지역에 많은 운석이 충돌한 것을 나타내고 있다.

약 4,000만 광년 거리에 있는 은하 'NGC 5033'은 모양도 크기도 은하수(직경 약 1억 광년)와 유사하지만 큰 차이점이 있다. 우선 핵이 매우 활발하고, 그 기세는 초거대 질량 블랙홀에 의해 더욱 가속화되고 있는 것. 그리고 활동은하 핵이 있는 '세이퍼트 은하'로 분류된다는 점이다. 이 사진은 블랙홀이 주변의 모든 별을 삼키고, 그 결과 중심에서 파장이 다른 전자기 스펙트럼이 방사상으로 퍼져있는 모습을 비추고 있다. 슬프게도, 우리가 이러한 별들을 위해 해줄 수 있는 것은 아무것도 없다. 이 광경이 허블 망원경의 카메라에 포착된 시점에는 이미 4,000만 광년이 경과하고 있기 때문에, 별들은 이미 삼켜진 후이기 때문이다.

화성에서 떠나기 전에 이 착색된 작은 언덕을 보았으면 좋겠다. 이것은 ExoMars Trace Gas Orbiter에 탑재된 고성능 카메라 'CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System)'가 포착한 것으로, 화성 쥬벤타에 계곡(Juventae Chasma)이라는 영역에 위치한다. '화성의 그랜드캐넌'이라고 불리는 매리너스 협곡(Valles Marineris)의 북쪽에 해당한다. 과학자들은 퇴적물이 시간이 지남에 따라 어떻게 축적했는지를 알기 위해 이 같은 작은 언덕을 조사하고 있다. 퇴적된 층의 조성과 그 형성의 구조를 해명할 수 있으면, 먼 옛날에 이 지역에서 무슨 일이 있었는지 더 자세히 알 수 있을 것이다.

기후예보 전문채널도 깜짝 놀랄 이 사진은 '페르세우스자리 은하단' 안에 있는 '우주의 한랭전선'을 포착한 사진이다. 2개의 은하단의 충돌로 '은하 가스'의 춤사위가 발생하고 있다. 오른쪽에서는 새로우며 온도가 낮은 영역이 넓어지고, 왼쪽으로는 오래된 가스가 그 영역을 벗어나는 모습이 비추어지고 있다. 은하끼리의 충돌에 의해 내부의 가스가 해방되어 우주로 방출된다. 이러한 가스는 일반적으로 은하의 다른 곳보다 온도가 훨씬 낮기 때문에 은하 규모의 '우주의 한랭전선'이 생긴다. 이 놀라운 이미지는 3개의 X선 관측위성, 즉 미항공우주국(NASA)의 찬드라, ESA의 XMM-Newton, 독일항공우주센터 주도의 ROSAT를 사용하여 촬영된 것이다.

이 소용돌이 치는 태풍은 NASA의 목성 탐사선 '주노'가 목성의 구름을 약 32,000마일(약 51,500km) 위에서 촬영한 것이다. 이런 선명한 이미지는 천문학자들에게 엄청나게 매력적인 것이다. 'White Oval A5'라는 고기압 구조의 상세 이미지는 목성 연구에 혁명을 가져오고 있다.

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/

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.

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.

스티븐 호킹 박사는 'arXiv'에 공개한 짧은 논문에서 '빛이 무한대로 빠져나갈 수 없는 영역이라는 의미의 블랙홀은 존재하지 않는다'고 주장하고 있다.

저명한 물리학자 스티븐 호킹은 'arXiv'에 2014년 1월 22일자로 공개한 짧은 논문에서 '(지금까지 생각되어 온 것 같은) 블랙홀은 존재하지 않는다'고 주장하고 있다. 이 현상은 정의할 필요가 있는 것이라고 그는 말한다.

이전에도 미국의 물리학자가 블랙홀의 존재를 부정하는 논문을 발표했었다.

이번 논문의 제목은 'Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes'(블랙홀에 대한 정보저장 및 기후예보). 고전 이론은 에너지와 정보는 블랙홀의 '사건의 지평선'을 벗어나지 않는다고 주장하지만, 양자물리학은 그것이 가능하다고 시사하는 역설(블랙홀 정보 패러독스)을 채택하고 있다.

이 난제에 대한 호킹 씨의 대답은 블랙홀은 정보와 에너지를 소멸시키는 것이 아니라 새로운 형태로 다시 공간으로 개방한다는 것이다. 그는 사건의 지평선을 대신하는 새로운 경계로 양자효과에 변동하는 '시지평선(apparent horizon)'을 제안하고 있다.

피어리뷰를 받지 않은 이 논문에서는 '빛이 무한대로 빠져나갈 수 없는 영역이라는 의미의 블랙홀은 존재하지 않는다'고 결론짓고 있다.

그러나 다른 물리학자들로부터의 반응은 신중하다. 캘리포니아 버클리 대학의 이론물리학 라파엘 부소는 Nature News에서 다음과 같이 말하고 있다. "블랙홀을 빠져나오지 못하는 지점은 없다는 생각은, 어떤 의미에서는 파이어월(블랙홀로 떨어진 관찰자가 사건의 지평선 혹은 그 근처에서 고에너지 양자의 벽을 만난다는 가상적 현상)보다 더 근원적인 문제를 내포하는 제안이다"

출처 참조 번역
ホーキング博士「ブラックホールは存在しない」
https://wired.jp/2014/01/27/black-holes/

NASA는 오퍼튜니티호와 큐리오시티효 등의 탐사선을 화성에 보내고 있으며, 그 탐사선들은 정기적으로 지구에 화성의 사진을 보내왔습니다. 그런 화성의 사진을 이어붙이는 방식으로 NASA가 만든 초고화질 이미지를 정리한 동영상이 공개되어 있습니다. 

New : Mars In 4K - YouTube

아래의이미지는 2012년부터 화성탐사를 계속하고 있는 큐리오시티가 촬영한 게일 분화구. 게일 분화구의 지름은 154km, 38~35억년 전에 형성된 것으로 추측하고 있습니다. '게일'의 명명은 19세기에 화성을 관측한 아마추어 천문학자 월터 프레드릭 게일의 이름에서 비롯되었습니다.

사진을 정리한 YouTube채널 ElderFox Documentaries에 따르면 큐리오시티에 탑재된 카메라는 고성능이지만 하루 8분 정도를 제외하면 지구와의 통신속도는 초당 32킬로비트(약 4킬로바이트) 정도이므로, 화성의 모습을 생방송으로 중계하는 것은 불가능하다고 합니다. ElderFox Documentaries은 "화성에는 거의 아무것도 움직이지 않기 때문에 사진을 보내는 편이 효율적이다"라고 말합니다.

■ 4위, 공룡을 멸종시킨 운석

Dinosaur-killer asteroid hit “worst possible place”, say Scientists

'칙술루브 충돌체(Chicxulub impactor)'로 불리는 소행성으로 약 6600만년 전 멕시코 유카탄 반도에 충돌한 것으로 알려져 있습니다.

공룡을 멸종시킨 것으로 추정되는 매우 유명한 운석, 그 크기는 직경 10~15km!, 충돌 속도는 약 20km/s로 충돌시의 에너지는 히로시마형 원자폭탄의 약 10억배나 되었다고 합니다.

그 위력은 충돌 지점으로부터 반경 1000km 이내의 생물이 모두 즉사해 버리는 수준의 파괴력

또한 이 운석의 충돌에 의해 '칙술루브 충돌구(Chicxulub crater)'가 형성되었습니다.

충돌구의 직경은 약 160km로 지구상에서 3번째 규모입니다.

출처 : Scientists gear up to drill into 'ground zero' of the impact that killed the dinosaurs

▽관련 기사

• 공룡멸종 초래한 소행성, 가장 치명적인 각도로 지구와 충돌 - 연합뉴스
• 공룡 죽인 소행성, 1.5km 쓰나미 만들어
• 칙술루브 크레이터 1500m 구멍뚫어 ‘공룡멸종’ 이유 밝힌다

■ 3위, 브레드포트의 운석

이 운석은 직경 10~15km로 칙술루브 충돌체와 거의 같은 크기로 추정되고 있습니다.

지금부터 약 20억 2300만년 전 고원생대에 약 20km/s의 속도로 현재의 남아공 프리스테이트주(州)의 위치에 충돌한 것으로 알려져 있으며, 충돌시의 에너지는 히로시마형 원자폭탄의 58억배에 이른다고 합니다.

フレデフォート・ドーム｜南アフリカ｜世界遺産オンラインガイド

이 충돌로 생긴 크레이터는 브레드포트 돔(Vredefort Dome)으로 그 직경은 약 190km로 현존하는 분화구 중에서 세계에서 가장 크고 세계에서 가장 오래된 것으로 추정되고 있습니다!

또한 2005년에는 세계자연유산에도 등록되었습니다!

■ 2위, 32억년 전의 운석

2014년 미국 스탠포드 대학의 연구진에 의해 발표되었는데 연구에 따르면, 남아프리카 공화국의 바벨톤 녹색바위 지대에서 발견한 작은 구형의 돌이 약 32억 6000만년 전에 지구에 충돌한 소행성의 조각이라는 것.

또한 그 충돌이 지구의 대륙을 이동시킨 계기가 되었을 가능성이 있다고 합니다.

32億年前、地球に落ちて来た超巨大隕石がやったこと | WIRED.jp

충돌한 소행성의 크기는 무려 직경 37km!!

공룡을 멸종시킨 운석의 3~4배나 됩니다 

이 운석은 약 20km/s의 속도로 표면에 충돌하여, 그 영향으로 바다가 끓고 높이 수천미터의 해일이 바다 전체로 퍼져, 30분 동안 지구 전체가 흔들렸다고 추정합니다.

2011년 동일본 대지진의 1000배 가까이 되는 진도 10.8의 흔들림이 전지구에 퍼져나갔다고 추정합니다.

남겨진 크레이터의 크기도 폭 500km 

또한 연구에서는 이 충돌이 태양계의 '후기중폭격시기'라고 불리는 기간에 있었다는 것을 밝히고 있습니다.

후기중폭격시기는 거대한 소행성이 태양의 주위를 돌고 있었으며 초기 행성에 충돌했다고 알려져 있습니다.

■ 1위, 거대충돌가설 '테이아'

거대충돌 가설은 약 46억년 전 원시지구에 화성만한 크기의 천체가 충돌한 결과에 의해 달이 형성되었다고 보는 가설입니다.

화성의 크기는 직경 6794km로, 그 어떤 소행성충돌과의 규모면에서 차원이 다릅니다.

그 충돌에너지를 진도로 나타내면 17.8로 공룡을 멸종시킨 운석의 7억배나 되는 에너지입니다.

어디까지나 이것은 가설이므로 정말 발생했었는지는 확실하지 않지만, 지금도 달의 존재를 설명하는 가장 유력한 가설로 남아있습니다.

유럽 ​​탐사선 로제타의 관측으로 츄류모후 게라시멘코 혜성의 물이 지구와 다른 것으로 나타나 지구의 물의 기원에 대한 새로운 논란을 불러 일으키고 있다.

46억년 전에 형성될 무렵 지구는 무척 높은 온도로 인해 물이 존재하여도 모두 증발해 버렸을 것으로 추측하고 있다. 현재 지구표면을 넓게 덮고 있는 바닷물은 냉각된 지구에 충돌한 혜성이나 소행성 등의 작은 천체로부터 비롯되었다는 설이 유력하다. 

그러나 혜성과 소행성 중 어느것이 주요 물 공급원인지 등에 대한 자세한 것은 잘 알려져 있지 않다.

그 문제에 큰 단서를 가져다 줄 것으로 기대되는 츄류모후 게라시멘코 혜성이 올해 8월부터 탐사선 로제타(유럽우주기관)에 의해 관측되고 있다 

혜성에서 분출하는 물의 데이터를 분석한 결과, 지구의 물과 크게 다른 것으로 밝혀졌다.
이 혜성의 물이 중수소 비율이 지구의 3배나 컸던 것이다.

물의 기원이 동일한 지 여부를 알기 위해서는 물에 포함된 "중수소/수소'비율이 측정된다. 

보통 수소보다 중성자 1개만큼 무거운 중수소의 비율이 같으면 같은 기원을 가지고 있다고 볼수있다. 

목성족 혜성은 지구에 비교적 가까운 경향을 보이고 있었지만 이 혜성은 이에 해당되지 않는다.
지금까지 조사가 이루어진 11개의 혜성의 중수소 비율은 제각각이지만 유일하게 지구와 같은 결과가 나왔던 하틀리 혜성(103P)과 같은 목성족 혜성인 이 혜성이 크게 다른 수치를 보인 것은 흥미롭다. 

목성족 혜성이란 태양에서 가장 멀리 떨어졌을 때 목성의 궤도에 근접하는 단주기혜성의 총칭으로 해왕성 바깥인 카이퍼벨트에서 형성된 것이 내부로 이동하여 온 것으로 생각되고 있다. 

하지만 이번 관측결과를 보면 목성족 혜성이 태어난 곳은 생각보다 재각각일지도 모른다.

이번 분석 결과를 발표한 Kathrin Altwegg씨는 "목성족 혜성의 물이 반드시 지구의 물에 가까운 중수소 비율이 아니라는 것을 알 수 있었습니다. 또한 이 결과에서 지구의 물의 주요 기원은 소행성이라는 설이 더 유력하게 되었습니다."라고 말했다.

지구에서 멀리 떨어진 츄류모후 게라시멘코 혜성의 관측이미지가 천문학 팬들 사이에서 주목을 받아 화제가 되고 있다. 
길이 3마일 정도의 작은 천체에 '눈보라"가 몰아치고 있는 동영상이다.

츄류모후 게라시멘코 혜성은 유럽우주국(ESA)의 무인탐사선 로제타가 2014년 11월부터 2016년 9월까지 약 2년간 세계 최초로 탐사에 성공한 혜성으로 얼음과 먼지 등으로 구성된 두 덩어리가 부딪쳐 그대로 결합하여 마치 오리장난감 같은 모양을 하고 있다.

로제타와 착륙기 필레에 의한 탐사는 이미 종료하였지만 탐사선의 관측데이터는 공개되어 있으며 현재도 분석이 이어지고 있다.

지난달 24일 러시아의 천문학 팬 (landru79)씨가 SNS에 공개한 GIF동영상은 2년간의 관측이미지를 조합하여 재생편집한 것이다.

깎아지른 절벽과 비슷한 지형이 비추어지고 활발하게 "눈보라"가 춤추는 황량한 광경. 
그러나 최대폭 3km, 길이 5킬로 정도의 혜성은 땅속의 얼음이 데워져 수증기를 분출할 수는 있어도 액체가 존재하지 않기 때문에 비나 눈이 내려질수 없다.

#ROSETTA 😍 OSIRIS #67P/CHURYUMOV-GERASIMENKO new albums 😍--ROSETTA EXTENSION 2 MTP030-- Miércoles 1 Junio 2016 all filters stacked pic.twitter.com/Bf173Z5g79

— landru79 (@landru79) April 23, 2018

불가사이한 "눈보라"의 정체에 대해 ESA의 수석고문 마크 마콧쿠란(Mark McCaughrean)는 "우주공간을 고에너지 상태로 난무하는 우주선이 비친 것"
"GIF이미지를 만든 사람은 원래의 관측데이터를 90도 회전시켰기 때문에 본래라면 "눈보라"는 수평으로 내리고 있습니다."라고 설명하고 있다.

탐사선 로제타는 혜성의 표면에서 13킬로미터 떨어진 상공을 선회하면서 촬영하고 있었기 때문에 눈보라처럼 보이는 것은 관측장치의 앞을 가로지르는 먼지 등의 미립자라고 한다. 
화면 오른쪽에는 큰개자리가 확인가능하고 왼쪽에는 큰개자리의 은하성단 "NGC2362"도 등장한다고 한다.

마콧쿠란씨는 "가짜가 아닌 실제 관측사진입니다. 우리의 뇌는 지구상의 현상과 흡사한 사건이 발생하면 무심코 우주공간에서도 "이것은 눈보라"라고 인지하지만, 환상이 만들어 낸 환상입니다."라고 설명했다.