천문뉴스:::한국아마추어천문학회
홈 로그인 회원가입
 
 





우리은하 미리내의 블랙홀 인근에서 일반상대성이론을 검증하다|

  • 이강민
  • |조회수 : 454
  • |추천수 : 0
  • |2018-09-02 오후 10:10:52

Credit:ESO/M. Kornmesser

사진 1> 이 상상화는 미리내 중심에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀에 가장 가까이 접근해 지나가는

         S2의 경로를 묘사하고 있다.

         이 별이 블랙홀에 가까이 다가갈수록 강력한 자기장이 별의 색깔을 붉은색으로 변화시키고 있다. 

         이는 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예견한 현상이다.

         이 그림의 색깔과 대상의 크기는 개념의 명확화를 위해 과장되어 표현된 것이다.



ESO VLT를 이용한 관측에서 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예견한 효과를 미리내 중심에 있는 초거대질량의 블랙홀 주변에 형성된 강력한 중력장을 통과하는 별의 움직임을 이용하여 처음으로 밝혀냈다.

오랫동안 기다려왔던 이번 연구 결과는 칠레에 위치한 ESO의 망원경들을 이용한 26년간의 관측에 있어 절정에 해당하는 성과라 할 수 있다.


지구로부터 가장 가까운 거리에 있는 초거대질량의 블랙홀은 26,000 광년 거리의 미리내 중심에 자리잡고 있다. 

이곳은 먼지를 머금고 있는 두꺼운 구름들에 의해 가려져 있다.

태양의 4백만 배에 달하는 질량을 가지고 있는 이 중력괴물은 그 주위를 빠르게 도는 일련의 별들이 감싸고 있다.

우리 은하 미리내에서 가장 강력한 중력장이 장악하고 있는 이 극단의 환경은 중력물리학을 탐사하는데 있어 최적의 장소이며 특히 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는데 있어서도 특별한 장소이다.



천문학자들은 2018년 5월, ESO VLT에 장착되어 있는 극단의 민감도를 가진 GRAVITY [1], SINFONI, NACO를 이용한 적외선 관측을 통해 이 블랙홀 주위를 대단히 가까운 거리로 통과하는 S2라는 이름의 별을 관찰하였다.

이 별이 블랙홀을 가장 가까운 거리로 통과할 때 거리는 200억 킬로미터이며 이 때 별의 속도는 시속 2,500만 킬로미터인데 이는 빛의 속도의 3퍼센트에 해당하는 속도이다.[2]


연구팀은 예전에 S2를 관측하는데 사용했던 여타 장비들과 함께 GRAVITY와 SINFONI를 이용하여 각각 측정한 이 별의 위치와 속도를 뉴턴의 중력이론 및 아인슈타인의 일반상대성이론을 비롯한 여러 중력이론에서 도출한 예측치와 비교하였다.

그 결과는 뉴턴의 이론과는 일치하지 않았지만 일반상대성이론의 예측치와는 훌륭하게 맞아떨어졌다.


극적인 정밀도를 자랑하는 이번 측정치는 막스플랑크 외계행성물리학 연구소의 라인하르트 겐젤(Reinhard Genzel)이 이끄는 국제협력연구팀에 의해 측정된 것이다. 

이번 연구는 파리천문대-PSL 및 그레노블 알프스 대학교, CNRS, 막스플랑크천문연구소 및 쾰른 대학교, 포르투갈 천체물리학 및 중력센터와 ESO가 함께 이뤄낸 것이다.


이번 관측 결과는 ESO의 여러 관측장비를 이용하여 미리내의 중심부를 관측해온 지난 26년간의 역사에 있어 정점을 찍는 결과라 할 수 있다. [3]


겐젤의 설명은 다음과 같다. 

"S2가 미리내 중심의 블랙홀 주위를 지근거리에서 통과하는 것을 관측한 것으로는 이번이 두 번째 

 관측입니다. 

 우리는 지난 수 년 동안 이번 관측을 강도높게 준비해왔습니다. 

 일반상대성이론에서 예측한 효과를 관측할 수 있는 가장 독보적인 기회를 만들기를 원했죠."


이번에 측정된 자료들은 중력적색편이라 부르는 효과를 명쾌하게 드러내주고 있다.

별로부터 나오는 빛은 블랙홀에 의해 생성된 강력한 중력장에 의해 파장이 좀더 길게 늘어난다.

S2로부터 뿜어져나오는 빛의 파장 변화는 일반상대성이론에서 예측한 것과 정확하게 맞아떨어졌다.


이번 측정은 초거대질량 블랙홀 주변을 움직이는 별을 관측하여 좀더 단순한 뉴턴의 중력이론에 입각한 예측치로부터 그 편차를 도출한 첫 사례이기도 하다.


연구팀은 SINFONI를 이용하여 지구로부터 가까워졌다가 멀어지기를 반복하는 S2의 속도를 측정하였다. 

그리고 VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY로 S2의 위치변화를 대단히 정확하게 측정하였는데 이는 이 별의 공전궤도를 규명하기 위한 측정이었다.


무려 26,000 광년이나 떨어져 있음에도 GRAVITY는 블랙홀과 아주 가까운 거리를 통과하는 이 별의 움직임을 밝혀낼 수 있는 고해상도 사진들을 만들어냈다.


GRAVITY와  SINFONI 분광기의 수석연구원인 프랑크 아이센하우어(Frank Eisenhauer)의 설명은 다음과 같다.

"우리가 GRAVITY로 처음 S2를 관측한 것은 약 2년 전입니다. 

 이때 이미 이곳이 블랙홀을 연구할 수 있는 최적의 실험실임을 알 수 있었죠. 

 이 별이 블랙홀을 가까운 거리에서 통과하는 동안 우리는 대부분의 사진에서 블랙홀 주위를 두르고 있는 

 희미한 빛을 감지할 수 있었습니다. 

 이 빛은 이 별의 궤도를 정확하게 볼 수 있게 해 주었죠. 

 그리고 마침내 S2의 분광데이터에서 중력적색편이를 도출해낼 수 있었죠."


일반상대성이론의 방정식이 수립되고나서 백 년이 지난 지금 아인슈타인의 이론은 다시한번 그 사실이 입증되었는데 특히 이번은 아인슈타인이 가능할 것으로 기대했던 그 어느 실험조건보다도 극단적인 조건에서 입증된 것이다.


ESO 시스템엔지니어링부서의 책임자인 프랑수아즈 델플랑크(Francoise Delplancke)는 이번 관측의 의미를 다음과 같이 설명하였다. 

"이곳 태양계는 특정 상황에서 물리법칙을 테스트할 수 있는 유일한 곳입니다. 

 이 물리법칙들이 매우 강력한 중력장에서도 여전히 유효하다는 것을 확인할 수 있는 매우 중요한 의미를

 가지고 있죠."


앞으로도 지속될 관측은 또다른 상대론적 효과를 밝혀줄 것으로 기대되고 있는데 S2가 블랙홀로부터 멀어지면서 슈바르트실트 세차(Schwarzschild precession)로 알려진 이 별의 공전궤도가 가지는 작은 변화양상이 바로 그것이다.


ESO의 책임자인 사비에르 바르콘(Xavier Barcons)의 소감은 다음과 같다. 

"ESO는 4반세기 동안 라인하르트 겐젤과 그의 연구팀 및 ESO 회원국들과 협력작업을 계속해오고 

 있습니다.

 매우 정밀한 측정을 가능하게 하기 위한 독보적이고도 강력한 도구들을 개발하고 이를 VLT에 전개해내는

 과정은 어마어마한 노력이 필요한 작업이죠.

 오늘 발표된 성과는 이러한 인상적인 협력체계가 만들어낸 훌륭한 결과라고 할 수 있습니다."



Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

사진 2> 이 표는 미리내 중심에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀 주위를 도는 S2의 움직임을 보여주고

         있다.

         ESO의 망원경들과 관측장비를 활용하여 25년 이상에 걸친 관측을 통해 이 도표가 완성되었다.

         이 별이 블랙홀 주위를 한 번 공전하는데는 16년이 소요되며 2018년 5월, 블랙홀로부터 가장 

         가까운 지점을 통과하였다.

         블랙홀과 별의 실제 크기가 축척에 맞게 표현된 것은 아니다.



Credit:ESO/L. Calcada/spaceengine.org

사진 3> 이 그림은 미리내중심의 초거대질량 블랙홀 주위를 공전하는 별들의 궤도를 보여주고 있다.

         이 별들 중 하나인 S2는 매 16년마다 블랙홀을 공전하고 있으며 2018년 5월 블랙홀로부터 가장 

         가까운 거리를 통과하였다.

         이러한 현상은 이곳을 중력물리학을 연구하는데 있어 완벽한 연구소로 만들어주고 있는데 특히 

         아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는데있어 완벽한 장소가 되어주고 있다.



Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

사진 4> 이 표는 미리내 중심의 초거대질량의 블랙홀을 가장 가까이에서 통과할 당시의 S2의 움직임을 

         보여주고 있다.

         이 표는 VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY의 관측결과로부터 도출된 것이다.

         이 지점에서 별의 속도는 빛의 속도의 3%에 육박했으며 그 위치 변화는 매일밤 확인이 가능했다.

         블랙홀과 별의 실제 크기가 축척에 맞게 표현된 것은 아니다. 


Credit:ESO/GALAXY Collaboration

사진 5> VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY는 미리내중심에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀에 S2가 가장 

         가깝게 다가갈 때 그 움직임을 추적했다.

         이 사진은 2018년 5월, S2가 블랙홀에 가장 가깝게 다가가기 직전의 모습이다.



Credit:ESO/MPE

사진 6> 이 사진은 ESO VLT에 장착된 NACO를 이용하여 미리내중심에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀 

         주위를 공전하는 수많은 별들의 움직임을 20여 년간에 걸쳐 촬영한 수백장의 사진 중 하나이다.



각주 

[1] GRAVITY는 다음의 기관들이 협조하여 개발하였다. 

     막스플랑크 외계행성물리학 연구소(the Max Planck Institutes for Extraterrestrial Physics, MPE), 

     파리 레시아 천문대(LESIA of Paris Observatory) / CNRS / 소르본 대학 / 파리 디드로 대학 

     및 그레노블 알프스 대학교 IPAG / CNRS 프랑스, 막스클랑크 천문 연구소(the Max Planck Institutes

     for Astronomy, MPIA), 쾰른 대학교(University of Cologne), 포르투갈 천체물리학 및 중력 센터, 

     유럽남부천문대 (ESO).       


[2] S2는 높은 이심율을 가진 궤도로 매 16년마다 블랙홀 주위를 공전하고 있다. 

     S2는 이심율이 높은 궤도로 인해 블랙홀에서 200억 킬로미터 이내거리까지 접근할 수 있게 되는데 

     이 별이 블랙홀에 가장 가깝게 접근했을 때의 거리는 지구와 태양 거리의 120배, 태양과 해왕성 

     거리의 고작 4배 밖에 되지 않는다. 

     이 거리는 블랙홀이 가지는 슈바르츠실트 반지름의 약 1500배이다.


[3] 미리내 중심부에 대한 관측은 반드시 적외선과 같은 장파장에서 이뤄져야 한다. 

     지구와 이 지역 사이에는 수많은 먼지구름들이 위치하고, 중심 지역은 가시광선을 강력하게 

     빨아들이고 있기 때문이다.



출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2018년 7월 26일자 

        https://www.eso.org/public/news/eso1825/


번역 : 이강민 천문지도사

댓글 0

번호 제목 이름 조회수 작성일
우리은하 미리내의 블랙홀 인근에서 일반.. photo 이강민 454 2018.09.02
35 PDS 70b : 이제 막 탄생하고 있는 외계행.. photo 이강민 338 2018.08.25
34 속도가 증가하고 있는 호무아무아(`Oumua.. photo 이강민 423 2018.07.10
33 외부은하를 이용하여 일반상대성이론을 검.. photo 이강민 421 2018.07.05
32 SPHERE가 촬영한 다양한 원시행성원반들 photo 이강민 418 2018.06.09
31 빛에 휩싸여 있는 죽은 별 photo 이강민 631 2018.04.13
30 LS1 : 중력렌즈현상을 이용하여 가장 멀리.. photo 이강민 499 2018.04.11
29 NGC 1052-DF2 : 암흑물질이 존재하지 않는.. photo 이강민 636 2018.04.11
28 Arp 256 : 은하충돌이 만들어낸 독특한 은.. photo 이강민 440 2018.04.09
27 프록시마 b의 생명체 거주 가능성은 높지.. photo 이강민 1030 2018.04.07
26 오리온 성운 내부에 뒤얽혀 있는 먼지기둥 photo 이강민 508 2018.04.05
25 ESO의 망원경들이 중력파를 만들어낸 천체.. photo 이강민 849 2017.10.19
24 GW170817 : 사상최초로 중력파로부터 빛을.. photo 이강민 785 2017.10.18
23 ALMA와 로제타호가 우주에서 프레온-40을.. photo 이강민 646 2017.10.10
22 NGC 4490 : 폭발적으로 별들이 탄생하고 .. photo 이강민 578 2017.10.08
21 NGC 7009의 독특한 구조 photo 이강민 652 2017.10.07
20 C/2017 K2 PANSTARRS (K2) : 가장 먼거리.. photo 이강민 605 2017.10.07
19 TRAPPIST-1의 행성들이 물을 가지고 있을.. photo 이강민 780 2017.09.04
18 가장 상세하게 촬영된 안타레스의 표면과.. photo 이강민 780 2017.08.24
17 이웃 별 "프록시마 센타우리"의 생명 가능.. 조영우 1599 2016.08.26
개인정보취급방침