서로 돌고도는 '쌍둥이 블랙홀' 사상 첫 관측 - 동아사이언스

12년 주기로 깜빡이는 퀘이사, 40년 만에 드러난 정체

두 개의 거대한 블랙홀이 서로를 중심으로 도는 모습이 인류 역사상 처음으로 전파 영상에 담겼다. 과거에는 천문학자들이 단일 블랙홀의 이미지만 촬영할 수 있었지만 이번에는 두 블랙홀이 함께 도는 모습이 하나의 전파 영상에 담겼다. 

(본문 생략, 출처 링크를 참고하세요.)

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과학자들, 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀을 사상 최초로 포착하다(ChatGPT번역)

천문학자들이 사상 최초로 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀이 포착된 전파 영상을 확보하는 데 성공했다.
이번 관측은 블랙홀 쌍의 존재를 확인한 것이다.
그동안 천문학자들은 개별 블랙홀의 이미지만 포착하는 데 그쳤다.

퀘이사 OJ287에서 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀.

왼쪽은 랑케스와르 데이(Lankeswar Dey)가 계산한 이론적 도식으로, 사진이 촬영될 당시 블랙홀과 그로부터 방출되는 제트의 위치를 보여준다.

오른쪽은 라디오아스트론(RadioAstron) 위성을 포함한 시스템(J.L. Gomez 외, 2022)에 의해 촬영된 이미지의 일부로, 아래쪽의 두 개 밝은 점은 두 블랙홀에서 나오는 전파 방출을, 가장 위의 점은 작은 블랙홀의 제트를 나타낸다.

이는 왼쪽 도식에서는 점선으로 표시되어 있으며, 블랙홀들은 점으로 표시되어 있다.

국제 공동 연구팀이 OJ287이라 불리는 퀘이사 중심부에서 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀을 영상화하는 데 성공했다.

퀘이사는 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 주변의 우주 가스와 먼지를 삼킬 때 발생하는 빛으로 인해 극도로 밝은 은하핵이다.

과거 천문학자들은 우리 은하 중심의 블랙홀과, 메시에 87(Messier 87)로 불리는 인근 은하의 블랙홀을 영상화하는 데 성공한 바 있다.

“퀘이사 OJ287은 너무 밝아서 개인 망원경을 가진 아마추어 천문학자들도 관측할 수 있습니다.

OJ287의 특별한 점은 하나가 아니라 두 개의 블랙홀이 서로를 공전하고 있다고 여겨졌다는 점입니다.

이 두 블랙홀은 12년 주기로 공전하며, 그에 따라 동일한 주기의 빛 변화를 만들어내는 명확히 인식 가능한 패턴을 형성합니다.”

이 연구 논문의 제1저자인 핀란드 투르쿠 대학교의 마우리 발토넨(Mauri Valtonen)은 이렇게 설명했다.

연구 결과는 『천체물리학 저널(Astrophysical Journal)』에 게재되었다.

19세기에 “우연히” 발견된 퀘이사

OJ287의 가장 초기 관측 기록은 19세기로 거슬러 올라가며, 당시 천문학자들이 해당 하늘 영역을 처음 촬영했을 때의 오래된 사진들에서 찾아볼 수 있다.

그러나 그 시절에는 블랙홀이 존재한다는 생각조차 할 수 없었고, 퀘이사에 대해서도 마찬가지였다.

OJ287은 천문학자들이 다른 대상을 촬영하던 중 “우연히” 사진에 포함되었다.

투르쿠 대학교의 석사과정 학생이었던 아이모 실란패아(Aimo Sillanpää)는 1982년 이미 해당 천체의 밝기가 12년 주기로 규칙적으로 변한다는 사실을 발견했다.

그는 이후 대학 연구원으로서 OJ287을 계속 연구하며, 그 밝기 변화가 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀에 의해 발생한다고 가정했다.

수백 명의 천문학자들이 이 이론의 타당성을 검증하고, 두 블랙홀의 공전 궤도를 완전하게 이해하기 위해 오랜 기간 동안 퀘이사를 집중적으로 관측해왔다.

궤도의 수수께끼는 마침내 4년 전, 인도 뭄바이 출신으로 투르쿠 대학교에서 파트타임으로 연구하던 박사 연구원 랑케스와르 데이에 의해 풀렸다.

그때까지 남아 있던 유일한 의문은, 두 블랙홀을 동시에 탐지할 수 있는지 여부였다.

이 의문은 나사의 TESS 위성에 의해 해결되었다.

TESS는 두 블랙홀로부터 오는 빛을 탐지했으나, 일반 가시광선 이미지는 해상도가 충분히 높지 않아 두 블랙홀을 별개의 점으로 구분할 수 없었다.

이를 위해서는 10만 배 더 높은 해상도의 영상이 필요했으며, 이는 전파망원경을 통해서만 가능했다.

과학자들, 작은 블랙홀에서 새롭게 “꼬리를 흔드는” 제트 발견

이번 최신 연구에서 천문학자들은 이전의 이론 계산과 전파 영상을 비교했다.

이미지 속에서 두 블랙홀은 예측된 바로 그 위치에 존재했다.

이를 통해 연구자들은 40년 동안 미해결로 남았던 질문 — 즉, 블랙홀 쌍이 실제로 존재하는가 — 에 대한 답을 얻었다.

“우리는 사상 최초로 서로를 공전하는 두 개의 블랙홀의 영상을 얻는 데 성공했습니다.

영상 속 블랙홀은 그들이 방출하는 강렬한 입자 제트를 통해 식별됩니다.

블랙홀 자체는 완벽히 어둡지만, 이 입자 제트나 블랙홀 주변의 빛나는 가스를 통해 탐지할 수 있습니다.”

발토넨은 이렇게 말했다.

연구자들은 또한 블랙홀에서 방출되는 완전히 새로운 형태의 제트를 발견했다.

작은 블랙홀에서 방출되는 제트는 회전하는 정원용 호스에서 나오는 물줄기처럼 비틀려 있다.

이는 작은 블랙홀이 OJ287의 주 블랙홀 주위를 빠르게 공전하기 때문에, 그 운동 방향에 따라 제트가 편향되기 때문이다.

연구자들은 이를 “꼬리를 흔드는(wagging tail)” 현상에 비유하며, 향후 몇 년간 작은 블랙홀의 속도와 운동 방향이 변함에 따라 제트가 서로 다른 방향으로 꼬이는 모습을 관측할 수 있을 것이라고 예측한다.

“두 블랙홀의 이미지는 라디오아스트론 위성을 포함한 전파망원경 시스템으로 촬영되었습니다.

이 위성은 10년 전 OJ287을 영상화할 당시 가동 중이었습니다.

위성의 전파 안테나는 달의 절반 거리까지 이동할 수 있었기 때문에 영상의 해상도를 크게 향상시켰습니다.

최근 몇 년 동안은 지상 기반 망원경만 사용할 수 있었기 때문에 영상의 해상도는 그만큼 좋지 않았습니다.”

발토넨은 이렇게 덧붙였다.

Identifying the Secondary Jet in the RadioAstron Image of OJ 287 - The Astrophysical Journal