Ⅰ. 탐구 배경
나는 평소 우주하면 떠오르는 것이 블랙홀이다. 수많은 사람들이 블랙홀의 정체에 대해 궁금해 하고 여러 분야의 과학자들이 힘을 모아 블랙홀을 밝혀낼 방법을 궁리한다. 이처럼 관심이 점차 증가하는 만큼 영화나 TV프로그램에서도 블랙홀을 언급하기도 한다.
대표적인 예로 영화 '인터스텔라'에서 우리는 초대형 블랙홀을 가까이서 볼 수 있다. 밝은 가스를 배경으로 블랙홀의 엄청난 중력은 빛을 고리 모양으로 휘어지게 한다. 하지만, 이것은 실제 블랙홀의 사진이 아니라고 한다. 여태껏 우리가 봐왔던 사진들은 예술적 해석을 가미하여 '블랙홀이 이렇게 생겼을 것이다'라고 컴퓨터 그래픽으로 표현한 것이다.
그렇다면 실제 블랙홀의 사진은 찍을 수 없는 것인가? 라는 의문이 생겼다. 실제 사진은 찍기 힘들다면 최초의 사진을 찍기 위한 노력이나 방법에 대해 궁금증을 가지고 탐구를 시작했다.
Ⅱ. 탐구 내용 및 방법
100여 년 전에 아인슈타인은 그의 이론인 '일반상대성이론'을 처음 제시하였다. 그 이후로 과학자들은 일반상대성이론을 뒷받침하기 위한 증거들을 제시하고 있다. 하지만 이 이론을 증명하는 단 하나의 블랙홀은 직접 관찰된 적이 없다. 비록 블랙홀의 생김새에 대한 여러 아이디어는 제시되었지만, 우리는 한 번도 블랙홀을 직접 찍어본 적이 없다. 하지만 연구가 계속되고 있는 만큼 블랙홀을 찍을 수 있는 방법이 여러 가지 제시되면서 바뀔 가능성이 보인다. 아마 최초의 블랙홀 사진은 지구만한 망원경과 사진들을 합치는 알고리즘을 이용하여 여러 국가의 과학자들이 찍게 될 것이다.
만약 오늘밤 도시의 밝은 빛들을 지나쳐가면, 우리는 굉장히 아름다운 은하수를 볼 수 있을 것이다. 그리고 만약 수십만 개의 별들을 확대해서 볼 수 있다면, 운하의 중심부로부터 2만 6천 광년이나 떨어진 은하수를 지나 중심부 위치한 별무리를 보게 될 것이다. 우주먼지들을 피하기 위한 적외선 망원경을 이용해서 천문학자들은 이 별들을 16년 넘게 관찰해왔다. 하지만 이 별들은 보이지 않는 무언가의 주위를 맴돌고 있는 것처럼 보인다. 이 별들의 궤도를 추적한 결과, 천문학자들은 결론을 내렸는데, 이러한 움직임을 만들 수 있는 충분히 작고 무거운 물질은 밀도가 아주 높아 주위의 모든 것을 빨아들이는 블랙홀 뿐 밖에 없다는 것이다. 블랙홀이 빨아들이는 것은 빛 또한 예외일 수 없다.
그렇다면 이것을 더 확대해 본다면 어떨까? 사진으로는 보이지 않는 것들을 볼 수 있게 될까? 라디오 파장을 확대한다면 블랙홀 주위에 고온의 플라스마가 중력을 가하는 렌즈가 생겨서 빛의 고리가 생길 것을 기대할 수 있다. 즉 이 블랙홀은 밝은 물질을 배경으로 그림자를 생성하여 어둠의 영역을 조각해낸다. 이 밝은 고리의 중력이 매우 강해져서 빛 또한 벗어날 수 없는 블랙홀의 지평선을 드러내게 된다. 아인슈타인의 방정식은 고리의 크기와 모양을 예측하므로, 이 사진을 찍는 것은 근사할 뿐만이 아니라 이 방정식이 블랙홀 주변의 극한의 상태에서도 유지된다는 점을 입증한다.
하지만, 이 블랙홀이 너무 멀기에 달의 고리는 매우 작게 보여질 뿐이다. 따라서 사진에 담는 것이 매우 어렵다. ‘회절'이라는 현상 때문에 볼 수도 있는 작은 물체들이 근본적인 한계에 부딪히게 된다. 아인슈타인이 내세운 방정식에 의하면 작은 물질을 보려면 망원경을 더 크게 만들어야 한다고 한다. 하지만 지구 가장 강력한 광학 망원경도 달 표면의 영상 촬영에 필요한 해상도를 구현해내지 못한다. 그렇다면 블랙홀을 관찰할 만한 망원경을 만들 수는 없을까?
우리의 기대와 달리 지구 크기의 거대한 망원경을 만드는 것은 불가능하다. 하지만 ‘믹 제거’는 “원하는 것을 항상 가질 수는 없지만 시도를 한다면 원하는 것을 찾고 가질 수 있을 것이다” 고 주장한다. 그리고 전 세계에 망원경을 연결하는 국제적인 공동 작업인 "Event Horizon Telescope"는 사건의 지평선의 규모에서 구조를 해결할 수 있는 지구 규모의 전산 망원경을 만들고 있다. 이 프로젝트에서는 전 세계 네트워크 통신망을 통해 망원경의 공동 작업이 이루어진다. 정확한 시간을 통해 연결되고 연구소끼리 수천 테라바이트 데이터를 수집함으로써 빛을 동결시키는 원리이다. 그렇다면 EHT가 하는 역할과 거두어낸 성과를 살펴보자.
과학자들은 은하 M87의 중심에 대한 Event Horizon Telescope 관측을 사용하여 블랙홀의 첫 이미지를 획득했다. 이미지는 태양보다 65 억 배나 큰 블랙홀 주변의 강렬한 중력에서 가벼운 굴곡으로 형성된 밝은 고리를 보여준다. 이 장황한 이미지는 초대형 블랙홀의 존재에 대한 가장 강력한 증거를 제공하며 블랙홀, 이벤트의 시야 및 중력의 연구에 새로운 창을 열어주었다.
국제 협력을 통해 구축된 8개의 지상 기반 무선 망원경의 행성 규모 배열 인 Event Horizon Telescope는 블랙홀의 이미지를 캡처하도록 설계되었다. 오늘날 전 세계의 기자 회견에서 EHT 연구원은 초자연적인 블랙홀과 그림자의 직접적인 시각적 증거를 발표하면서 성공했다고 밝히고 있다. EHT는 전례 없는 감도와 해상도로 지구 크기의 가상 망원경을 형성하기 위해 전 세계의 망원경을 연결한다. EHT는 수년간의 국제 협력의 결과이며 과학자들에게 최초의 이론을 확인한 역사적인 실험 100주년 동안 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에 의해 예측된 우주에서 가장 극한의 물체를 연구하는 새로운 방법을 제공한다.
블랙홀은 엄청난 질량을 지닌 매우 조밀 한 크기의 특별한 조화 우주 물체이다. 이러한 물체의 존재는 주변 환경에 영향을 미치며 극단적 인 방식으로 주변 환경에 영향을 미치며 시공간을 뒤틀리고 주변 물질을 과열시킨다. EHT science에서는 “빛나는 가스 원반과 같은 밝은 영역에 잠겨 있으면 그림자와 비슷한 어두운 영역을 만드는 블랙홀이 생길 것입니다. 이전에 보지 못했던 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에 의해 예측 된 것으로, 이 그림자는 중력적인 굴곡과 사건의 수평선에 의한 빛의 포착으로 인하여 매혹적인 물체의 본질에 대해 많이 드러내며 엄청난 질량의 M87 블랙홀을 측정 할 수 있었습니다” 고 말한다. 여러 개의 보정 및 이미징 방법을 통해 여러 개의 독립적인 EHT 관찰을 통해 지속되는 어두운 중앙 영역 , 블랙홀의 그림지가 있는 링 모양의 구조가 나타나게 되었다.
최근 발표 된 EHT 및 관측의 구축은 수십 년의 관측, 기술 및 이론 작업의 절정을 나타낸다. 이렇듯 EHT는 한 세대 전에는 불가능한 것으로 추정되는 것을 성취했다고 볼 수 있다. 세계 최고의 라디오 관측소와 혁신적인 알고리즘 사이의 연결, 기술의 혁신이 모두 모여 블랙홀의 새로운 창을 연 것이다.
Ⅲ. 탐구 결과
탐구 결과, 블랙홀을 조사할 수 있는 효과적인 방법은 Event Horizon Telescop 관측이다. 최근 EHT는 수많은 나라가 협력하여 수많은 연구를 거쳐 블랙홀의 새로운 창을 열 수 있는 사진을 찍어내었다. 그들이 마침내 찍은 사진은 온통 검은색으로 뒤덮여있고 무언가 반짝이는 것이 존재할 것이라는 우리의 상상과 달리 생각보다 뚜렷한 링의 모습이 나타나고 빨려 들어가는 입구로 추정되는 검은색 원형의 공간이 드러나는 사진이었다.
또한 EHT가 이루어낸 관측은 아인슈타인의 일반적인 상대성 이론에 의해 예측 된 것의 일부를 증명해냈다는 점에서 의의를 둔다. 전 세계 네트워크 통신망을 통해 이루어진 망원경의 공동 작업과 알고리즘의 체계의 통합이 만들어낸 EHT 관측은 블랙홀 관측의 절정이라고 평가받는다.
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