블랙홀의 놀라운 폭발: 강력한 감마선 방출

2019년, 사건 지평선 망원경(Event Horizon Telescope, EHT)이 처음으로 M87 은하 중심의 초대질량 블랙홀의 이미지를 공개하며 전 세계를 놀라게 했습니다. 이 블랙홀은 다시 한번 과학자들을 놀라게 하고 있는데, 이번에는 테라전자볼트(teraelectronvolt, TeV)급 감마선 섬광을 방출한 것입니다. 이러한 강력한 섬광은 10년 이상 관측되지 않았으며, 블랙홀 주변의 극한 환경에서 전자와 양전자 같은 입자가 어떻게 가속되는지에 대한 중요한 단서를 제공합니다.

M87의 중심에서 분출되는 제트는 사건 지평선, 즉 블랙홀의 표면보다 7개의 등급, 수천만 배 더 큽니다. 이러한 고에너지 방출의 밝은 폭발은 블랙홀 지역에서 전파 망원경으로 일반적으로 감지되는 에너지를 훨씬 뛰어넘었습니다.

섬광은 약 3일 동안 지속되었으며, 크기는 약 3광일, 즉 약 150억 마일 이하의 지역에서 발생한 것으로 추정됩니다.

감마선은 광자라고도 불리는 전자기 에너지의 한 형태입니다. 감마선은 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지를 가지며, 블랙홀 주변 지역과 같이 우주에서 가장 뜨겁고 에너지가 높은 환경에서 생성됩니다. M87의 감마선 섬광의 광자는 최대 수 테라전자볼트의 에너지 레벨을 가지고 있습니다. 테라전자볼트는 아원자 입자의 에너지를 측정하는 데 사용되며, 운동하는 모기의 에너지와 맞먹습니다. 이는 모기보다 수조 배 작은 입자에게는 엄청난 양의 에너지입니다. 수 테라전자볼트의 에너지를 가진 광자는 가시광선을 구성하는 광자보다 훨씬 더 많은 에너지를 가지고 있습니다.

 

 

 

강력한 제트와 감마선 섬광

물질이 블랙홀로 빨려 들어갈 때, 중력 위치 에너지의 손실로 인해 입자가 가속되는 강착 원반을 형성합니다. 일부 입자는 강력한 자기장에 의해 구동되는 강력한 유출인 "제트"로 블랙홀의 극에서 멀어지기도 합니다. 이 과정은 불규칙하여 종종 "플레어"라고 불리는 급격한 에너지 폭발을 일으킵니다. 그러나 감마선은 지구의 대기를 통과할 수 없습니다. 약 70년 전, 물리학자들은 감마선이 대기에 충돌할 때 생성되는 2차 방사선을 관측함으로써 지상에서 감마선을 감지할 수 있다는 것을 발견했습니다.

"우리는 여전히 블랙홀 근처 또는 제트 내에서 입자가 어떻게 가속되는지 완전히 이해하지 못하고 있습니다."라고 UCLA의 박사후 연구원이자 Astronomy & Astrophysics에 발표된 연구 결과를 설명한 논문의 저자 중 한 명인 Weidong Jin은 말했습니다.

"이 입자들은 매우 에너지가 높아서 빛의 속도에 가깝게 이동하며, 우리는 이러한 입자가 어디에서 어떻게 그러한 에너지를 얻는지 이해하고 싶습니다. 우리의 연구는 이러한 과정을 밝히기 위해 모델링과 함께 이 은하계에 대해 지금까지 수집된 가장 포괄적인 스펙트럼 데이터를 제시합니다."

Jin은 VERITAS(Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System)에 의해 수집된 매우 높은 에너지 감마선이라고 불리는 데이터 세트의 가장 높은 에너지 부분의 분석에 기여했습니다. VERITAS는 애리조나 남부의 Fred Lawrence Whipple Observatory에서 운영되는 지상 기반 감마선 장치입니다. UCLA는 망원경 센서를 읽는 전자 장치의 개발과 망원경 데이터를 분석하고 망원경 성능을 시뮬레이션하는 컴퓨터 소프트웨어 개발에 참여하여 VERITAS 건설에 주요한 역할을 했습니다. 이 분석은 기준 변동성에서 크게 벗어나는 큰 광도 변화로 나타나는 플레어를 감지하는 데 도움이 되었습니다.

 

 

 

다양한 망원경으로 관측한 블랙홀의 비밀

NASA의 Fermi-LAT, 허블 우주 망원경, NuSTAR, Chandra, Swift 망원경을 비롯한 20여 개의 유명한 지상 및 우주 기반 관측 시설과 세계 3대 영상 대기 체렌코프 망원경 어레이(VERITAS, H.E.S.S. 및 MAGIC)가 2018년 두 번째 EHT 및 다파장 캠페인에 참여했습니다. 이러한 관측소는 각각 X선 광자와 고에너지 및 매우 높은 에너지 감마선에 민감합니다.

이 연구에서 사용된 주요 데이터 세트 중 하나는 스펙트럼 에너지 분포라고 합니다.

"스펙트럼은 M87과 같은 천체의 에너지가 다양한 파장의 빛에 어떻게 분포되어 있는지를 설명합니다."라고 Jin은 말했습니다. "이는 빛을 무지개로 분해하고 각 색상에 얼마나 많은 에너지가 있는지 측정하는 것과 같습니다. 이 분석은 초대질량 블랙홀의 제트에서 고에너지 입자의 가속을 주도하는 다양한 과정을 밝히는 데 도움이 됩니다."

논문 저자들의 추가 분석에 따르면, 사건 지평선이라고도 불리는 링의 위치와 각도, 그리고 제트의 위치에 상당한 변화가 있는 것으로 나타났습니다. 이는 입자와 사건 지평선 사이의 물리적 관계가 서로 다른 크기 척도에서 제트의 위치에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

"M87의 블랙홀의 가장 두드러진 특징 중 하나는 코어에서 수천 광년에 걸쳐 뻗어 있는 양극성 제트입니다."라고 Jin은 말했습니다. "이 연구는 플레어 동안 매우 높은 에너지 감마선 방출의 기원을 조사하고 플레어를 일으키는 입자가 가속되는 위치를 식별할 수 있는 독특한 기회를 제공했습니다. 우리의 연구 결과는 지구에서 감지되는 우주선의 기원에 대한 오랜 논쟁을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다."