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블랙홀 제트방출의 원리를 규명할 새로운 관측 - 블랙홀 제트의 초기 속도는 광속의 80%까지 가속 2016-03-24

■ 일반적으로 블랙홀은 중력이 무척 강해 빛조차 빠져나오지 못하는 천체로 알려져 있다. 하지만 블랙홀로부터 물질이 방출되는, 플라즈마의 제트 현상은 이미 약 100년 전부터 알려져 있었다.  천문학계에서는 이러한 블랙홀 제트 방출이 어떤 원리로 발생하는지가 오랜 난제로 남아있다.


■ 한국천문연구원(원장 한인우) 손봉원 박사팀은 거대은하인 M87의 중심에 있는 초거대 블랙홀이 내뿜는 제트 현상을 관측해 기존 관측과 달리 블랙홀에 가까운 지점에서 이미 광속에 가까운 속도로 분출되는 현상을 밝혔다.

  ※ M87은하 : 처녀자리 은하단의 중심부분에 위치하는 거대 전파은하. 지구에서 5440만 광년 떨어져 있으며 중심에는 태양 질량의 60억배 정도의 우주 최대급 초대형블랙홀이 존재하는 것이 알려져 있다.


○ 대부분의 은하 중심에는 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배에 이르는 초대형 블랙홀이 존재한다. 일부 초대형 블랙홀에서 발출되는 제트는 광속에 거의 가까운 속도로 수 천 광년에서 수 만 광년에 이르는 우주 최대 규모의 고에너지 현상이다.
○ 이번 연구 결과 M87은하 중심의 블랙홀 제트의 속도가 기존에 알려진 것보다 훨씬 가까운 5광년 거리에서 이미 광속의 80% 속도로 가속돼 있는 것을 알게 됐다.
   - 기존 관측은 블랙홀에 가까운 지역의 제트 현상을 정밀히 관측하지 못해, 비슷한 거리에서 제트의 속도는 광속의 10% ~ 30%로 알려졌다.



KaVA를 이용한 M87 제트 뿌리의 관측 결과 데이터, KaVA를 이용한 M87 제트 뿌리의 관측 결과 2013년 12월부터 2014년 6월까지 실시한 관측 중 주요한 5개의 관측의 데이터를 표시했다. 가장 밝은 위치에 제트 분출구가 있고 그 조금 왼쪽에 초대형 블랙홀이 위치하고 있다. 중심에서 오른쪽 방향으로 제트가 시간에 따라 바깥쪽(거리가 4광년 정도)으로 움직여가는 모습이 보인다. 참고로 광속과 같은 움직임을 실선(v=c)으로 나타내었다.

KaVA를 이용한 M87 제트 뿌리의 관측 결과 2013년 12월부터 2014년 6월까지 실시한 관측 중 주요한 5개의 관측의 데이터를 표시했다.

가장 밝은 위치에 제트 분출구가 있고 그 조금 왼쪽에 초대형 블랙홀이 위치하고 있다.

중심에서 오른쪽 방향으로 제트가 시간에 따라 바깥쪽(거리가 4광년 정도)으로 움직여가는 모습이 보인다. 참고로 광속과 같은 움직임을 실선(v=c)으로 나타내었다.

(V=0 점선은 최초 관측일을 기준으로 한 초기속도)

M87 은하 중심의 블랙홀 제트는 블랙홀 중심에서 얼마 안 되는 위치부터 이미 광속에 가까운 운동하고 있다는 이 연구가 최초로 밝혔다. (ⓒ KASI, NAOJ)


○ 연구팀은 M87은하를 한국의 KVN 과 일본의 VERA 를 연결한 KaVA  관측시설을 이용해 2013년 12월부터 약 6개월간 집중적으로 관측했다.
  - 은하 중심은 밀도가 높아 전파 영역에서만 관측이 가능하며, 정밀한 측정을 위해 가능한 멀리 떨어진 전파망원경을 연결한 간섭 네트워크가 필요하다.


■ 이번 관측 결과는 블랙홀 제트가 어떤 원리로 분출되는지 밝히는 중요한 단서가 된다는데 의미가 있다.
  - 한국천문연구원 손봉원 박사는 “이번 관측 결과가 천문학의 오랜 숙제를 풀 수 있는 단서가 될 것이다” 고 말하며 “앞으로 컴퓨터 시뮬레이션과 자세히 비교해 블랙홀 분출의 형성 과정 규명에 도전할 계획이다” 고 밝혔다.


[붙임자료 1] 관측 시설 설명

- KaVA (The KVN and VERA Array) 한일공동VLBI관측망

KaVA 한일공동VLBI 관측망 사진, 한국과 일본의 전파망원경 네트워크를 연결하면 직경 약 2000 km 의 전파 망원경 구경과 같은 높은 감도와 더욱 자세한 공간 분해능을 얻을 수 있다.

한국과 일본의 전파망원경 네트워크를 연결하면 직경 약 2000 km 의 전파 망원경 구경과 같은 높은 감도와 더욱 자세한 공간 분해능을 얻을 수 있다.

단일 망원경으로는 이런 거대한 구경을 만들 수 없기 때문에 전파 간섭 효과를 이용한 전파간섭계를 활용한다. (ⓒ KASI, NAOJ)



한일공동VLBI관측망, (위) KaVA의 망원경 배치도. (아래) 각 지점의 전파망원경. (KaVA), 왼쪽에서 한국의 연세, 울산, 제주와 일본의 미즈사와, 이리키, 오가사와라, 이시가키에 위치한 전파 망원경이다.

한일공동VLBI관측망 (KaVA).

(위) KaVA의 망원경 배치도. (아래) 각 지점의 전파망원경.

왼쪽에서 한국의 연세, 울산, 제주와 일본의 미즈사와, 이리키, 오가사와라, 이시가키에 위치한 전파 망원경이다. (ⓒ KASI, NAOJ)


[붙임자료 2] 관측 성능 비교


(왼쪽) KVN으로 관측한 영상. (오른쪽) VERA로 관측한 영상. (가운데) KaVA 공동관측 영상, 각 영상 왼쪽 아래의 타원은 각 관측망의 해상도를 나타낸다. KVN만을 이용한 경우 해상도가 낮기 때문에 영상의 선명도가 떨어지며, VERA만을 이용한 경우 감도가 나쁘기 때문에 천체의 중심부분만 검출 할 수 있다.

(왼쪽) KVN으로 관측한 영상. (오른쪽) VERA로 관측한 영상. (가운데) KaVA 공동관측 영상

각 영상 왼쪽 아래의 타원은 각 관측망의 해상도를 나타낸다. KVN만을 이용한 경우 해상도가 낮기 때문에 영상의 선명도가 떨어지며,

VERA만을 이용한 경우 감도가 나쁘기 때문에 천체의 중심부분만 검출 할 수 있다.

KaVA를 이용한 경우에는 높은 해상도와 감도로 멀리 뻗어나가는 제트의 어두운 부분까지 선명히 관측할 수 있다. 

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