“블랙홀 연구, 우주 탄생·진화 정보 알려줄 것”

"2단계는 블랙홀 동영상 찍는 것...기술 업그레이드"
"블랙홀 그림자 발견, 노벨상 받을 가능성 높다"
"우리 은하 내 '궁수자리 블랙홀'도 관측, 분석할 것"

전 세계 연구진이 힘을 합해 인류 사상 처음으로 블랙홀 그림자 관측에 성공했다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 대한 궁극적인 증명이 이뤄진 것으로 그 동안 상상해 왔던 블랙홀을 실제 관측해 연구하는 시대가 도래할 것으로 보인다. 아울러 우주 탄생과 진화 수수께끼를 푸는 데도 한 발짝 가까워질 것으로 관측된다.

이벤트호라이즌망원경(EHT·Event Horizon Telescope·사건지평선망원경) 프로젝트에 참여한 국내 연구진들은 11일 서울 중구 JW컨벤션센터에서 열린 ‘EHT 성과 언론 설명회를 통해 블랙홀 관측과 데이터 분석 과정, 의미, 향후 과제 등을 설명했다.

정태현 한국천문연구원 박사는 “역사적인 일이다. 물리학과 수학을 모르는 초등학생과 유치원생조차도 블랙홀에 대한 호기심을 해결했다”며 “블랙홀은 크기는 작지만 힘과 영향력은 우주 전체에 미치고 있다. 우주 탄생과 진화를 포함해 많은 블랙홀 연구가 진행될수록 알지 못했던 많은 부분에 대한 정보를 가져다 줄 것이다”고 밝혔다.

그는 이어 “지금까지 볼 수 없었던, 가장 작은 지역에서 발생하는 천체 물리학적인 현상을 관측 기술과 전파망원경 성능이 개선돼 블랙홀까지 영상을 얻을 수 있는 단계까지 왔다”며 “2단계는 동영상을 찍는 것이다. 동영상을 찍기 위한 망원경과 관측 기술 업그레이드, 자료 분석, 소프트웨어 비롯한 제반 기술에 대한 업그레이드 하고 있다”고 밝혔다.

전 세계 협력에 기반한 8개의 전파망원경을 연결한 사건지평선망원경(EHT) 연구진은 처녀자리 은하단의 중앙에 위치한 거대은하 M87의 중심부에 있는 블랙홀 관측에 성공했다. 이 블랙홀은 지구로부터 5500만 광년 떨어져 있으며 무게는 태양 질량의 65억 배에 달한다.

다음은 연구진과의 일문일답.

-인류 첫 블랙홀 관측을 어떻게 평가하는가?
“(정태현 한국천문연구원 박사) 역사적인 일이다. 고리 하나가 사람들을 들뜨게 만들 수 있는지 놀라는 하루였다. 블랙홀은 굉장히 강한 중력을 가지고 있다. 중력의 근본은 거대한 질량이다. 매우 작은 크기에 응축돼 마치 빛도 탈출할 수 없게 만드는 현상을 만들고 있다. 우리가 블랙홀을 관측하기 위해 상당히 많은 노력을 해왔지만 직접적으로 천체에서 빛이 나오지 않으므로 직접적으로 관측하는 방법은 제한적이었다. 간접적인 방법으로 블랙홀 존재를 유추할 수 있었다. EHT는 이 문제를 해결하기 위해 만든 국제 컨소시엄 프로젝트다. 전 세계 곳곳에 있는 8대의 전파망원경이 하나의 큰 망원경으로 연결돼 블랙홀을 관측하기 위한 시도를 했다. 2000년 초반부터 진행했고, 공식적으로 2017년부터 시작됐다”

-블랙홀 관측은 어떤 의미를 갖는가?
“(김재영 독일 막스플랑크 전파연구소 박사) 1919년 영국의 천문학자 에딩턴이 개기일식 때 중력렌즈 효과로 겉보기 위치가 변한다는 사실을 확인하며 일반 상대성 이론을 증명했다. 중요한 것은 태양이 중력이 약한 천체라는 점이다. 블랙홀과 같이 중력이 극단적으로 강한 천체에서는 증명하지 못했다. 그런 의미에서 상대성 이론이 완전하게 증명된 것이 아니었다. 블랙홀 관측은 일반 상대성이론을 극단적인 중력에서 증명한 것이다.”

“(정태현 박사) 아인슈타인이 말한 중력, 거대 질량 만든 물질이 시공간을 휘게 만들 수 있는 것을 직접적으로 보여준 것이다. 지금까지 볼 수 없었던, 가장 작은 지역에서 발생하는 천체 물리학적인 현상을 관측 기술과 전파망원경 성능이 개선돼 블랙홀까지 영상을 얻을 수 있는 단계까지 왔다. 블랙홀은 크기는 작지만 힘과 영향력은 우주 전체에 미치고 있다. 우주 탄생과 진화를 포함해 많은 블랙홀 연구가 진행될수록 알지 못했던 많은 부분에 대한 정보를 가져다 줄 것이다”

-어떻게 블랙홀을 관측했나?
“(조일제 한국천문연구원 연구원) 천체에서 오는 빛은 높은 해상도로 관측하기 위해서는 더 큰 구경의 망원경이 필요하다. 광학 망원경은 망원경 크기를 무한정 늘릴 수가 없다. 반면 전파 망원경은 관측 파장대가 길기 때문에 여러 대의 전파 망원경을 동기화하는 것이 가능하다. 예컨대 서울과 제주에 전파망원경이 있다면 서울에서 제주까지 거리가 망원경 크기라고 본다. 전 세계 뻗은 망원경을 사용했으므로 지구 크기의 망원경 사용했다고 볼 수 있다. 지구 크기 망원경 사용하면 높은 해상도 얻을 수 있다. 8대의 망원경을 사용해 블랙홀의 자세한 형태를 얻을 수 있었다”

-블랙홀에서 제트 스트림이 관측되지 않은 이유는 무엇인가?
“(김재영 박사) 아직 EHT 성능이 제트를 볼 수 있을 정도가 아니다. 8개의 망원경이 있지만 고해상도 이미지를 얻기 위해서는 망원경 개수가 부족하다. 가장 중요한 밝은 구조를 이미징하는 데는 성공했으나 아직도 이미지 품질을 높여야 한다. 2020년에는 적어도 3개의 망원경이 추가될 것이다. 확실히 제트 스트림 이미지를 나타낼 것이다”

-3개 망원경은 어디에 추가되는가?
“(정태현 박사) 미국 애리조나 대학교와 프랑스, 그린란드다. 앞으로는 11개의 망원경이 가동된다. 망원경이 크면 빛을 받는 면적이 넓어 감도가 좋아진다. 만약 좋은 감도를 가지게 되면 고리 뿐만 아니라 제트도 볼 수 있을지 모른다. 다만 높은 분해능을 이루는 데는 한계가 있다. 그린란드에서 남극까지 이미 지구 크기의 망원경을 세웠다. 또 다른 기술적인 시도들을 진행하고 있다. 지구를 넘어 우주 공간까지 전파 망원경을 세우고 있다. 과거 일본과 러시아에서 우주 망원경용 전파 간섭계가 있었다. 우주 공간에 망원경을 세우면 지구와 거리만큼 거리가 늘어서 더 높은 분해능을 구현할 수 있다. 대신 파장이 길어서 EHT 망원경과 같이 관측하기는 힘들다”

- 블랙홀 관측 및 데이터 분석 과정에서 어려웠던 점은?
“(조일제 연구원) 여러 망원경에서 관측한 자료를 동기화해야 한다. 불확실성을 제거하는 작업을 많이 했다. 자료의 신뢰도를 높이기 위해 검증 작업에 시간이 걸렸다. 이미지가 자료의 불확실성 때문에 만들어질 가능성을 없애기 위해 팀을 나눠 이미지를 만들고, 사전에 정보를 교환하지 않았다. 각자 만든 이미지가 일치하는지 확인 후 공동 작업을 했다”

- 우리 은하 내에 있는 ’궁수자리(Sagittarius)A*‘ 블랙홀 관측은 어떻게 되고 있는가?
“(김종수 전파본부장) EHT 망원경은 우리 은하 중심에 있는 궁수자리 거대 질량 블랙홀도 관측했다. 두 천체가 블랙홀 그림자를 관측하기 좋은 천체인데 궁수자리 블랙홀은 우리 은하 중심에 위치하고 있고, 상대적으로 질량이 작다. 주위에 여러 가지 복잡한 수소체를 갖고 있어서 관측했으나 먼저 과학자들이 M87을 분석했고, 궁수자리에 있는 블랙홀은 분석을 하지 못한 단계다. 차후 또 다른 블랙홀 그림자를 볼 수 있을 것이다”

- 궁수자리 외 추가 블랙홀 관측 계획이 있는가?
“(정태현 박사) 올해, 내년 관측 계획이 없다. 궁수자리 블랙홀과 M87 블랙홀은 가장 기본적인 핵심 천체다. 항상 같이 관측했다. 우리은하 중심 블랙홀 굉장히 가깝고, 중심 지역에 많은 스케터링 현상이 발생한다. 이로 인해 자료를 해석하는 일이 어렵다. 조일제 연구원, 김재영 박사, 자오 박사도 실제 한일 우주 전파 관측망을 이용해 우리 은하 중심의 블랙홀 연구를 열심히 하고 있다”

- 블랙홀 연구 핵심기반이 13곳 있는데 우선 순위를 따질 수 있는가?
“(손봉원 천문연 박사) 우선순위를 따지기 어렵다. 모두 중요한 역할을 맡아서 수행했다. 내년도 관측부터는 한국 천문연구원이 서울 망원경을 관측에 참여하기 위해 준비하려고 노력하고 있다. 내년부터는 참여하게 될 것이다”

“(사샤 트리페 서울대 교수) 지난 3월에 세계 동아시아지역 3개 전파망을 통해 EHT가 2000년 초반에 했듯이 우리도 관측하고 있다. 한국, 대만, 일본, 중국 등 4개 나라가 협력해서 앞으로 동아시아 ETH 멤버로 본격적으로 활용되는 날을 기대하고 있다”

-블랙홀 이미지 관측 이후 과제는?
“(정태현 박사) 지금 있는 망원경이 추가되고, 감도도 높아지고 있다. 1단계 목표는 블랙홀 사진을 찍는 것이다. 2단계는 동영상을 찍는 것이다. 동영상을 찍기 위한 망원경과 관측 기술 업그레이드, 자료 분석, 소프트웨어 비롯한 제반 기술에 대한 업그레이드 하고 있다. EHT 블랙홀 중심에서 일어나는 고에너지적인 물리적, 극한적 환경에서 일어나는 물리적 현상에 대한 일을 증대시킬 수 있다”

“(김종수 천문연 전파천문본부장) 올해는 3개의 망원경을 합해 관측을 할 예정이고, 지금은 이미지만 보였는데 구체적으로 물리량을 구할 계획이다. 블랙홀 회전이 어떻게 됐는지, 블랙홀 주위의 자기장이 어떻게 됐는지 구체적인 사이언스를 하게 될 것이다”

-인류 첫 블랙홀 관측이 노벨 물리학상으로 이어질 수 있다고 보느냐?
“(손봉원 박사) 연구를 주도한 두 분은 노벨상 받을 만한 자격이 된다고 개인적으로 생각한다.

”(김종수 본부장) 전파천문학으로 여러 분이 노벨상을 받았다. 여러 망원경을 동시에 이용해 굉장히 좋은 결과를 얻는 관측 기법을 개발한 분도 노벨상을 받았다. 블랙홀은 일반인도 보고 싶어 한다. 우리가 보고 있는 이미지는 블랙홀 그림자다. 블랙홀 주변의 빛을 보고 있다. 블랙홀 주변이 어떻게 돼 있는지를 보는 영상은 처음으로 나와서 노벨상을 받을 가능성이 많다. 시간이 지나 중요한 발견이라고 사람들한테 인식되면 노벨상을 받을 것으로 보인다“

”(정태현 박사) 인간이 가진 극단적이 호기심이 있다. 물리학과 수학을 모르는 초등학생과 유치원생 조차도 블랙홀에 대한 호기심을 갖고 있다. 이를 해결했다는 의미도 있다. 노벨상은 지켜보자“

【서울=뉴시스】