[지금은 우주] 블랙홀 제트 자기장 강도는?

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M87에서 뿜어져 나온 제트의 복사냉각 분포도. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 비례한다. 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다. 색이 푸른 계열일수록 플라즈마가 방사 냉각에 의해 더 많이 냉각됐음을 나타내며 붉은 계열일수록 덜 냉각됐음을 의미한다. [사진=천문연]

[아이뉴스24 정종오 기자] 블랙홀은 아직 풀리지 않는 수수께끼로 남아있다. 블랙홀 안을 볼 수 없기 때문이다. 강력한 중력이 작용해 빛조차 빠져나오지 못한다. 블랙홀의 물리적 특성을 파악한다면 인류는 우주의 비밀을 풀 수 있을 것으로 기대하고 있다. 아직 블랙홀에 대해 인류가 아는 것은 많지 않다.

한국천문연구원이 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정에 성공했다. M87은 블랙홀은 2019년 사건지평선망원경(EHT, Event Horizon Telescope)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀이다.

천문학자들은 블랙홀로부터 방출되는 제트(기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름)의 형성에 자기장이 깊게 관여할 것이라 추측하고 있다. 이제까지 제트의 자기장 강도는 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처에서만 제한적으로 추정이 가능했다. 블랙홀로부터 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 추정한 것은 이번이 처음이다.

이번 연구에는 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(KVN, Korea VLBI Network)과 일본국립천문대의 일본우주전파관측망(VERA Array)이 공동으로 운영하는 7개의 전파망원경으로 구성된 한일공동 우주전파관측망(KaVA, KVN and VERA Array)을 활용했다.

M87 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 편광 영상. [사진=한국천문연구원]

연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내의 플라즈마가 냉각되는 싱크로트론 복사냉각(어느 물체가 복사열을 흡수하는 양보다 방출하는 양이 많아 기온이 내려가는 현상)을 분석해 자기장 강도를 추정하는 데 성공했다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례한다. 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있다.

그 결과 블랙홀로부터 약 2~10광년(약 900~4500 슈바르츠실트 반지름) 떨어진 거리에서 제트의 자기장 강도를 0.3에서 1가우스(Gauss, 지구 자기장의 크기는 약 0.2 가우스~ 0.65 가우스)로 추정했다. 이는 M87 제트의 자기장이 블랙홀 중심부에서부터 약 10광년의 거리까지 방출되는 동안 다른 외부 요인으로 인해 크게 소실되지 않았음을 의미한다.

연구 논문의 제1 저자인 노현욱 한국천문연구원 박사는 “KaVA 준동시 관측을 통해 초대질량블랙홀 중심부에서 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 파악할 수 있었다”며 “이를 통해 제트 자기장의 전반적 분포를 파악하고 기존 제트 이론 연구와 비교해 제트 형성 기작을 검증해 나갈 것”이라 설명했다.

손봉원 한국천문연구원 박사는“여러 주파수 VLBI 관측의 비교 분석은 제트의 물리적 특성을 이해하는 데 중요한 연구 기법”이라며 “블랙홀 연구는 여러 주파수대 동시 관측이 가능한 한국우주전파관측망(KVN)의 장점을 살릴 수 있는 분야라 앞으로도 지속해 공동 연구와 성과가 있을 것으로 예상한다”고 전했다.

관련 연구(논문명: Spectral analysis of a parsec-scale jet in M87: Observational constraint on the magnetic field strengths in the jet)는 천문학과 천체물리학(Astronomy & Astrophysics) 5월 24일자에 실렸다.

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