한국천문연구원이 참여한 국제 공동 연구팀이 M87 블랙홀 제트의 자기장 강도 추정에 성공했습니다. M87은 블랙홀은 지난 2019년 사건지평선망원경(이하 EHT, Event Horizon Telescope)으로 인류 사상 최초로 관측한 블랙홀인데요.
천문학자들은 블랙홀로부터 방출되는 제트*의 형성에는 자기장이 깊게 관여할 것이라 추측하고 있습니다. 이제까지 제트의 자기장 강도는 제트의 밀도가 높은 블랙홀 근처에서만 제한적으로 추정이 가능했는데, 블랙홀로부터 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 추정한 것은 이번이 처음입니다. 여기서 제트는 기체와 액체 등 물질의 빠른 흐름을 말합니다. 노즐 같은 구조를 통과하며 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 방출되어 만들어집니다. 블랙홀 주변의 강력한 자기장, 부착원반(또는 여기서 나오는 방출류)과 블랙홀의 상호 작용을 통해 강력한 제트 방출 현상이 발생합니다.
이번 연구를 위해서 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(이하 KVN, Korea VLBI Network)과 일본국립천문대의 일본우주전파관측망(VERA Array)이 공동으로 운영하는 7개의 전파망원경으로 구성된 한일공동 우주전파관측망(이하 KaVA, KVN and VERA Array)을 활용됐습니다. 22GHz와 43GHz 주파수대로 준동시 관측이 이루어 졌습니다.
이를 통해 연구팀은 제트가 방출되는 과정에서 제트 내의 플라즈마가 냉각되는 싱크로트론 복사냉각 현상을 분석해 자기장 강도를 추정하는 데 성공했습니다. 복사냉각은 자기장 강도의 제곱에 반비례하므로, 서로 다른 주파수대(22GHz, 43GHz)에서 관측한 복사냉각 분포를 분석하면 자기장 강도를 추정할 수 있는데요. 복사냉각은 어느 물체가 복사열을 흡수하는 양보다 방출하는 양이 많아 기온이 내려가는 현상을 의미합니다. 제트 내의 플라즈마가 자기장에 의해 빛의 속도에 가깝게 운동할 때 방사선이 방출되면서 냉각됩니다.
그 결과, 블랙홀로부터 약 2-10광년(약 900-4,500 슈바르츠실트 반지름) 떨어진 거리에서 제트의 자기장 강도를 0.3에서 1가우스(Gauss)로 추정했습니다. 이는 M87 제트의 자기장이 블랙홀 중심부에서부터 약 10광년의 거리까지 방출되는 동안 다른 외부 요인으로 인해 크게 소실되지 않았음을 의미합니다. 참고로 지구 자기장의 크기는 약 0.2 가우스~ 0.65 가우스이죠.
연구 논문의 제1 저자인 한국천문연구원 노현욱 박사는 “KaVA 준동시 관측을 통해 초대질량블랙홀 중심부에서 멀리 떨어진 제트의 자기장 강도를 파악할 수 있었다. 이를 통해 제트 자기장의 전반적인 분포를 파악하고 기존 제트 이론 연구와 비교해 제트 형성 기작을 검증해나갈 것”이라 밝혔습니다. 한국천문연구원 손봉원 박사는“여러 주파수 VLBI 관측의 비교 분석은 제트의 물리적 특성을 이해하는 데 중요한 연구 기법이다”며 “블랙홀 연구는 여러 주파수대 동시 관측이 가능한 한국우주전파관측망(KVN)의 장점을 살릴 수 있는 분야라 앞으로도 지속적인 공동 연구와 성과를 예상한다”고 덧붙였습니다.
연구 결과는 '천문학 및 천체물리학 (Astronomy & Astrophysics)' 5월 24일자에 게재됐습니다.
