손봉원 한국천문연구원 박사는 지난 4월 블랙홀 그림자를 인류 최초로 촬영해 공개한 국제EHT프로젝트의 한국 책임자이다. 지난 6월 13일 대전의 천문연 사무실에서 만난 손 박사는 “블랙홀 그림자 촬영을 주도한 천문학자 2~3명은 노벨물리학상에 근접했다고 생각한다”라고 말했다. EHT(Event Horizon Telescope·사건 지평선 망원경) 총괄대표 겸 미국대표는 셰퍼드 돌먼(관측)이고, 유럽대표는 하이노 팔케(이론)이다. 셰퍼드 돌먼은 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터 소속이고, 하이노 팔케는 네덜란드 라드바우드대학 교수이다. 이들이 촬영해 공개한 블랙홀은 처녀자리은하단의 중심인 M87이다. 그동안 존재가 알려지기는 했으나, 눈으로 블랙홀의 존재를 확인한 건 당시 촬영이 처음이었다.

손봉원 박사는 독일 본에 있는 막스플랑크 전파천문학연구소 연구원 시절 EHT 대표인 셰퍼드 돌먼과 함께 EHT 프로젝트 출범을 위한 기초 관측을 한 바 있다. 손 박사는 “돌먼 외에도 이 프로젝트의 또 다른 숨은 주역으로 토마스 크리히바움 박사가 있다. 크리히바움 박사는 나의 박사후연구원 시절 은사다. 이 두 사람과 EHT 프로젝트를 만들기 위한 관측을 2003년 미국 애리조나에 가서 한 적이 있다”라고 말했다.

EHT 프로젝트 참가한 한국팀

이때 인연이 이어져 EHT 프로젝트에 참여했다. EHT 한국팀은 손봉원 박사 등 모두 10명.(천문연구원의 정태현·변도영·조일제·구앙야오자오·김종수·이상성 연구원, 서울대 사샤 트리페 교수, 해외 인력으로 막스플랑크전파천문학연구소 김재영 박사와 미국 애리조나대학 김주한 박사.) 한국팀은 하와이 소재 제임스클라크맥스웰 망원경(JCMT)으로 2017년 3월 말~4월 초 M87 블랙홀을 촬영, 블랙홀 그림자 이미지를 만드는 데 기여했다. 천문연은 JCMT의 지분을 일부 갖고 있다.

M87 블랙홀 관측은 전파망원경으로 했다. 은하중심의 거대질량 블랙홀은 막대한 전파(radio)를 쏟아내기 때문에 전파망원경으로 봐야 한다. 전파는 사람이 눈으로 보는 빛(가시광선)과는 파장이 다르다. 때문에 일반 광학망원경이 아니라, 파장이 매우 긴 전파를 기록하는 전파망원경을 사용해야 한다.

EHT는 하와이, 애리조나, 칠레, 멕시코, 스페인, 남극에 있는 8개의 전파망원경을 연결해 촬영했다. 먼 곳에 떨어져 있는 전파망원경을 동원해 촬영할수록 해상도가 높아진다. 전파망원경이 보내온 이미지를 수퍼컴퓨터로 처리하면 빛의 보강, 상쇄간섭 원리에 따라 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있다고 손 박사는 말했다. 손 박사는 “과제 책임자(PI)가 지난 4월에 블랙홀 이미지 공개를 원했다. 프로젝트에 대한 주목도를 높이기 위한 것이다. 반향이 커 EHT 연구를 이어가는 데 도움이 될 것으로 본다. 특히 올해는 국제천문연맹 창설 100주년이고, 아인슈타인 일반상대성원리가 옳다는 게 증명된 지 100년이 되는 해이다”라고 말했다. 손 박사는 EHT의 향후 계획과 관련, “M87은 물론이고 우리은하 중심의 거대질량 블랙홀이라는 두 천체를 보다 정밀하게 관측하는 게 기본 목표”라며 “우리은하 중심 블랙홀의 이미지도 머지않아 공개한다. 그리고 블랙홀 제트와 주변 환경을 좀 더 이해하기 위한 관측에 들어간다”라고 말했다.

손 박사는 전파망원경을 사용해 거대질량 블랙홀, 그중에서도 활동하고 있는 블랙홀, 다시 말하면 ‘활동성 은하핵(active galactic nucleus·AGN)’을 연구한다. 그는 특히 블랙홀 제트에 관심을 갖고 있다. 블랙홀 제트는 우주의 미스터리 중 하나다. 제트는 천체가 에너지를 두 방향으로 강력하게 뿜어내는 천체물리학 현상이다. 블랙홀과 중성자별 등등에서 일어나는 현상으로 알려져 있다.

“거대질량 블랙홀은 은하 중심에 있다. 블랙홀이 뿜어내는 제트는 물호스에서 나오는 물과 비슷하다. 호스 끝을 눌러주면 나오는 물이 한 방향으로 세게 뿜어져나온다. 블랙홀 제트도 그런 방식으로 블랙홀에서 나와 그 블랙홀이 속해 있는 은하의 경계까지 뻗어나간다. 은하 경계는 물론이고, 은하가 속해 있는 더 큰 구조인 은하단까지 제트가 뻗어나가기도 한다.” 그의 말을 들으니, 가까이 가서 볼 수 있다면 블랙홀 제트는 장관이겠다는 생각이 들었다.

블랙홀 제트는 호스에서 뿜어지는 물 같아

손 박사는 “그러나 제트가 무엇으로 이루어져 있는지는 정확히 모른다. 제트의 물리를 인류는 이해하지 못하고 있다”고 말했다. 제트에서 나오는 빛이 ‘싱크로트론 복사’라는 건 알고 있다. 싱크로트론 복사는 자기장 주변을 빛에 가까운 속도를 가진 전자가 돌면서 내는 빛이다. 이 전자들의 출처를 둘러싸고 학계에는 두 가지 가설이 있다. 하나는 ‘전자와 양전자 쌍이 동시에 만들어지면서 나온 전자’라는 설이고 또 하나는 ‘원자가 깨지면서 나온 그 안에 있던 전자들(전자-이온 플라스마)’이라는 설이다. 학계 주류는 전자와, 전자의 반물질인 양전자 플라스마에서 나왔다는 가설이 더 가능성이 높다고 본다. 손 박사는 “EHT의 M87 블랙홀 관측에서는 전자-이온 플라스마에서 나오는 싱크로트론 복사 모델로만 해석했다”며 “그러나 어떤 모델이 맞는지 모른다”라고 말했다.

블랙홀 제트도 멀리에서 보면 그냥 별빛이다. 천문학자는 블랙홀 제트가 일반 별빛과 다르다는 걸 어떻게 알았을까? 빛의 스펙트럼 관측을 통해 알게 되었다. 별이나 은하는 흑체(黑體)복사와 같은 스펙트럼을 갖고 있고, 전파망원경으로 볼 수 있는 천체인 전파원은 멱급수(冪級數) 형태의 에너지 분포를 갖고 있다고 손 박사는 설명했다.

블랙홀은 주변에서 물질을 끌어들이는 한편 막대한 에너지를 방출한다. 블랙홀로 유입된 물질의 50%는 방출되고 50%는 블랙홀 안으로 떨어진다고 학계 다수는 믿고 있다. 손 박사는 운석을 예로 들었다. 운석은 지구에 떨어질 때 질량의 일부만이 지표에 도착하고, 나머지는 대기와의 마찰로 연소돼 날아간다. 초대형 블랙홀이 빨아들이는 물질도 같은 원리다. 빨려 들어가는 물질은 서로 마찰을 일으켜 빛을 낸다. 이 때문에 에너지의 상당 부분은 블랙홀 밖으로 되돌아가며 나머지가 블랙홀로 들어간다.

“초대형 블랙홀로 사방에서 물질이 떨어지는 게 아니다. 토성처럼 주변에 띠를 만들고 띠를 중심으로 물질을 잡아당긴다. 이 띠를 강착(降着)원반(accretion disc)이라고 한다. 마찰로 인해 온도가 엄청나게 높고 결국 원소들은 깨져 전자와 이온으로 분리된다. 분리된 전자들이 블랙홀 주위를 도니 전류가 생기고, 전류가 생기면 자기장도 생긴다. 자기장이 블랙홀 원반에 수직방향으로 튜브나 제트 노즐과 같은 걸 만든다. 그러면 수없이 많은 전자가 모였다가 열려 있는 튜브 쪽으로 방출 된다. 이때 일부 블랙홀은 양쪽으로 제트가 뻗어나오는 구조를 만든다.”

모든 거대질량 블랙홀이 제트를 만드는 건 아니다. 은하중심의 거대질량 블랙홀은 은하 일생의 어떤 시기에는 제트를 내는 활동성 은하핵이었다. 손 박사는 “블랙홀이 어떤 경우는 제트를 만들어내고 어떤 경우는 그렇지 않은 이유에 관해 명확한 답을 갖고 있지는 않다. 하지만 답을 찾을 수 있는 힌트는 하나 갖고 있다”고 말했다. 손 박사에 따르면, 강력한 제트는 타원은하 중심의 블랙홀에서만 나오고 나선은하 중심의 블랙홀에서는 나오지 않는다. 손 박사 팀이 참여한 EHT가 관측한 M87은 바로 타원은하 중심에 있는 블랙홀이다.

타원은하 중심의 거대질량 블랙홀만 제트를 뿜어내는 이유는 무엇일까? 거대 타원은하는 은하들이 계속 합쳐져서 만들어졌다. 은하가 합쳐질 때 은하중심의 거대질량 블랙홀도 병합된다. 블랙홀 두 개가 합쳐지면 새 블랙홀의 회전 속도, 즉 자전 속도가 빨라진다. 두 블랙홀의 공전속도, 즉 각운동량이 합해졌기 때문이다.

블랙홀의 회전이 제트의 에너지원

블랙홀의 회전, 즉 자전은 블랙홀 제트의 또 다른 에너지원이다. 블랙홀이 광속에 가깝게 회전하면, 블랙홀의 사건 지평선에까지 닿은 자기장이 회전하면서 자기장이 강력한 모터가 된다. 제트의 싱크로트론 복사를 일으키는 에너지가 더 늘어나게 된다. 그래서 타원은하 중심에 있는 거대질량 블랙홀에서 제트가 나오는 게 아닐까 생각한다. M87 블랙홀은 광속에 가깝게 회전하고 있다. 회전하면서 많은 에너지를 얻으며 제트의 싱크로트론 복사량을 크게 증가시킬 것이라고 본다.

손봉원 박사는 “이번 M87의 경우, 제트 에너지 총량 기여도에서 블랙홀 회전이 강착원반보다 훨씬 중요하게 보인다”고 말했다. 블랙홀 스핀이 제트의 세기, 밝기를 설명하는 데 더 기여하는 걸로 보인다는 설명이다.

손 박사에 따르면, 편광관측은 물질 유입량을 확인할 수 있는 한 방법이다. 올여름에 M87에 대한 편광분석을 할 예정이다.(2017년에 수행한 편광관측의 결과는 분석 중이다.) 그러면 강착원반회전이 아닌 블랙홀 회전에서 제트가 에너지의 대부분을 얻었다는 걸 검증할 수 있다. 이런 제트를 만들어내는 메커니즘을 알아내는 게 연구단 차원의 큰 질문이다.

“EHT는 사진 촬영으로 블랙홀이 존재한다는 것은 보여줬다. 하지만 제트와의 연결 부분은 보여주지 못했다. 향후 관측에서는 관측을 개선, 블랙홀 그림자와 거기서 연결되어 나오는 제트 영상을 만들어야 한다. 블랙홀 상호작용의 상당 부분은 제트를 통해 이루어진다. 은하와 은하단과의 상호작용을 이해하는 데 도움이 될 것이다.”

이번 EHT 관측에서는 블랙홀 인근에서 나오는 제트 구조가 싹 빠진 이미지만 얻었다. 이는 멀리 있는 전파망원경만을 연결해서 이미지를 얻은 탓이다. 멀리 떨어진 전파망원경을 연결하면 이미지 해상도는 좋다. 하지만 블랙홀보다 큰 구조, 즉 제트의 선명한 이미지는 얻을 수 없다. 제트 이미지를 촬영하려면, 서로 가까이 있는 전파망원경들을 동원해야 한다.

“귀로 듣는 소리에 비유하자면 이번에 동원된 멀리 떨어진 전파망원경이 고음을 잘 듣는다고 할 수 있다. 반면 가까이 있는 전파망원경을 연결하면 저음을 잘 들을 수 있다. 한국의 전파망원경 네트워크 혹은 일본과도 구축된 KaVA(한·일 VLBI 관측망)를 동원하면 저음을 잘 들을 수 있다. 제트영상을 얻는 데 도움이 된다. 내년에는 한국에 있는 망원경들도 관측에 참여하게 된다. 제트를 보는 데 도움이 될 것이다.”

동아시아 망원경 네트워크

손 박사 연구실이 있는 건물 같은 층에는 ‘한국우주전파관측망(Korean VLBI Network) 운영 센터’라는 방이 있다. 한국 내 서울(연세대), 울산(울산대), 제주(서귀포) 세 곳에 있는 전파망원경을 연결하는 네트워크다. 한국과 일본 전파망원경 연결망인 KaVA는 일본의 오가사와라 등 4곳에 있는 전파망원경이 더해진 총 7기 망원경으로 구성된다. 한국과 일본의 망원경 네트워크는 중국도 참여한 동아시아 네트워크(EAVN)로 확대되고 있다.

블랙홀 그림자를 찍는 게 ‘본(本)관측’이고, 저주파 관측은 ‘다(多)파장 관측’의 일부다. 한국팀은 EHT 프로젝트의 일환으로 EHT 본관측 외에 저주파 관측도 했다. 본관측은 블랙홀을 230기가헤르츠로 찍었고, 한국의 저주파 관측은 22~43기가헤르츠라는 10분의 1 정도 낮은 주파수로 했다. 한국팀은 지난 수년간 한국의 전파망원경으로 저주파수 관측을 해서 M87에서 제트가 뿜어져 나오는 영상을 만들었다. 제트가 도는 모습도 같이 관측했다. 천문연 영상은 머지않아 공개될 예정이다.

손 박사팀은 이 과정에서 새로 발견한 게 있다. “블랙홀 제트는 블랙홀을 떠나 일정 지점에 가면 초광속운동을 한다. 겉보기에 그렇다. 그런데 어느 시점부터 초광속운동을 하는지가 논란이다. 처음부터 가속운동을 계속해서 초광속운동을 하는지, 특정 위치에서 갑자기 초광속운동을 하는지 논란이었다. 우리 관측결과, 처음부터 가속을 해서 초광속운동을 하게 된다는 걸 명확히 규명했다.”

손봉원 박사는 연세대 천문우주학과 1987학번이다. 1996년 독일 본대학에서 박사 공부를 시작, 2002년 박사학위를 받았다. 이후 역시 본에 있는 막스플랑크 전파천문학연구소에서 박사후연구원으로 일했다. 손 박사는 “본에는 두 개의 막스플랑크연구소가 있는데 그중 하나가 전파천문학연구소(다른 하나는 수학연구소)”라며 본에서 공부한 배경을 설명했다. 2004년 한국천문연구원에 들어갔다. 천문연은 이때 전파망원경 네트워크인 ‘한국우주전파관측망’ 구축을 준비하고 있었다.

손 박사는 “개인적으로 혹은 우리 팀이 기여할 수 있는 것이 있다. 이는 한국이 갖고 있는 전파망원경이 독특한 성능을 갖고 있기 때문에 가능하다”라고 말했다. 보통은 한 주파수로 관측하지만 한국은 여러 주파수를 동시에 관측할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 한 번에 들어온 빛을 쪼개 여러 주파수로 수신해 관측하는 기술이다. 2011년 천문연의 한석태 박사가 개발했다. ‘다주파수 동시 관측 시스템’이라고 한다. 어두운 신호를 높은 주파수에서 잘 보이게 해줄 뿐만 아니라, 여러 주파수에서 관측한 천체의 상대위치를 정확히 측정할 수 있게 해준다. 천체의 정확한 위치를 확인하는 데 도움이 되는 장비이다.

손봉원 박사는 “연구자로서 앞으로 계속해서 파고들고 싶은 일이 있다. 병합 중인 거대질량 블랙홀 쌍을 찾아내기 위해 준비를 하고 있다”고 말했다. “거대질량 블랙홀은 다른 블랙홀과 계속 합쳐지면서 자라났을 것으로 추정된다. 병합의 흔적을 가진 은하들을 볼 수 있다. 은하 중심의 블랙홀 쌍이 병합하는 환경에 가까워지면 블랙홀의 제트가 구불구불해질 수 있다. 블랙홀 쌍이 빠르게 공전하기 때문이다.”

손 박사는 “한국이 갖고 있는 전파망원경 장비가 초대형 블랙홀의 병합 장면을 찾는 것에 최적화된 시스템”이라며 “다만 블랙홀 질량이 워낙 커서 빨리 공전하지 않기 때문에 블랙홀의 움직임을 찾는 건 시간이 오래 걸릴 것”이라고 말했다. 그는 병합 장면을 찾는 이유에 대해 이렇게 설명했다. “지금까지 거대질량 블랙홀 병합은 인류가 보지 못했다. 그런 일이 일어난다는 걸 실증하는 게 연구의 중요한 이정표이다. 블랙홀 그림자 촬영이 의미 있는 것도 블랙홀이 있다는 걸 실증하는 증거 자료이기 때문이다. M87 관측에서도 우리가 추가관측을 통해 강착원반과 제트 간의 상관관계 등 많은 지식을 얻게 된다. 블랙홀 주변에서 만들어진 제트는 은하는 물론 은하의 무리인 은하단의 진화에 지대한 영향을 준다. 거대질량 블랙홀 병합 장면을 실제로 관측하면 블랙홀과 은하 그리고 은하단의 진화에 대한 이해를 크게 진전시킬 수 있을 것이다.”

이날 손봉원 박사로부터 들은 이야기는 살아 꿈틀거리는 천체물리학이었다. 천문학자가 연구의 최전선에서 뭘 하는지를 생생하게 들었다. 그의 설명은 친절했다.