세차운동하는 블랙홀을 설명하기 위한 상상도. 천문연 제공

국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 지금까지 가설로만 추측되던 블랙홀의 회전을 블랙홀에서 방출되는 제트의 회전을 통해 증명하는 데 성공했다.

한국천문연구원(천문연)은 손봉원 전파천문본부 책임연구원, 노현욱 전파천문본부 박사후연구원 등이 참여한 국제 공동연구팀이 초대질량블랙홀 M87에서 나오는 제트의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견, 국제 학술지 ‘네이처’에 27일(현지시간) 발표했다고 밝혔다. 이번 국제 공동연구팀에는 한국을 비롯해 전 세계 45개 기관의 79명 연구원이 참여했다.

제트는 블랙홀이 주변의 강력한 자기장, 부착원반과 상호 작용하며 방출되는 것으로 추측되는 기체·액체의 빠른 흐름을 말한다. 물질이 노즐 같은 구조를 통과해 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 방출되며 생성된다.

M87과 같은 초대질량블랙홀의 제트 방출 매커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 블랙홀이 빠르게 회전할 때 에너지가 발생하며 그 에너지의 일부분이 제트로 방출된다는 주장이다. 그러나 이 이론을 뒷받침하는 데 중요한 ‘블랙홀의 회전’은 지금까지 직접 관측된 적 없었다.

연구팀은 2000년부터 2022년까지 23년 간 동아시아우주전파관측망(EAVN), 초장기선 어레이(VLBA), 한일공동 우주전파관측망(KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(EATING) 등에서 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 데이터를 분석했다. 관측 과정엔 세종시에 위치한 22m 전파망원경도 일부 동참했다.

한국천문연의 한일공동상관센터는 연구에 사용된 총 170회 관측 데이터 중 123개 데이터를 상관처리했다. 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파 자료를 한곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정으로, 이 단계를 거쳐야 연구에 사용할 최종 영상 데이터를 얻을 수 있다.

연구팀이 슈퍼컴퓨터를 활용해 분석 결과를 시뮬레이션했더니 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동이 발생하고 있음을 밝혀냈다. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 이는 M87 블랙홀이 이론에서 추측한대로 회전하고 있음을 증명한다. 연구팀은 이어 세차운동이 11년을 주기로 발생한다는 사실을 알아냈다.

이번 공동 연구의 한국 측 책임자인 노 박사후연구원은 “우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체에 대해 오랜시간 지속적으로 관측할 수 있었으며, 이것이 우리 연구의 가장 큰 장점”이라며 “앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상들이 발견되기를 기대한다”고 밝혔다.

관측에 참여한 동아시아우주전파관측망의 전파망원경. 천문연 제공