[논문] 이벤트 호라이즌 망원경, 지구에서 가장 높은 해상도의 블랙홀 탐지

사건의 지평선 망원경(EHT) 협력단은 약 345GHz 주파수에서 먼 은하의 중심에서 나오는 빛을 감지하여 지구 표면에서 지금까지 얻은 것 중 가장 높은 분해능을 달성하는 시험 관측을 수행했습니다.

이러한 새로운 결과를 230GHz의 낮은 주파수에서 M87과 Sgr A 중심부의 초거대 블랙홀에 대한 기존 이미지와 결합하면, 블랙홀 사진이 50% 더 선명해질 뿐만 아니라 이 우주적 짐승의 경계 바로 바깥 영역에 대한 다색 보기가 생성됩니다.

스미소니언 천체물리학 관측소(SAO)를 포함하는 하버드 스미소니언 천체물리학 센터(CfA)의 과학자들이 주도한 새로운 감지는 다음과 같습니다. 게시됨 ~에 천문학 저널.

“EHT를 통해 우리는 블랙홀의 첫 번째 이미지를 감지했습니다. 전파 “230GHz에서, 하지만 우리가 본 블랙홀의 중력에서 빛이 휘어져 형성된 밝은 고리는 여전히 흐릿해 보였습니다. 이미지를 얼마나 선명하게 만들 수 있는지에 대한 절대적인 한계에 있었기 때문입니다.”라고 CfA의 박사후 연구원이자 현재 NASA의 제트 추진 연구소(NASA-JPL)의 공동 연구원인 알렉산더 레이먼드가 말했습니다. “345GHz에서 우리의 이미지는 더 선명하고 자세할 것이며, 이는 이전에 예측했던 것과 그렇지 않은 것 모두의 새로운 속성을 드러낼 가능성이 큽니다.”

EHT는 VLBI(very-long-baseline interferometry)라는 기술을 사용하여 전 세계의 여러 전파 접시를 연결하여 가상 지구 크기의 망원경을 만듭니다. 천문학자들은 더 높은 해상도의 이미지를 얻기 위해 두 가지 옵션이 있습니다. 전파 접시 사이의 거리를 늘리거나 더 높은 주파수에서 관찰합니다. EHT는 이미 우리 행성 크기였기 때문에 지상 기반 관측의 해상도를 높이려면 주파수 범위를 확장해야 했고, EHT Collaboration은 지금 그렇게 했습니다.

“이것이 획기적인 일인 이유를 이해하려면 흑백 사진에서 컬러 사진으로 전환할 때 얻는 추가 세부 정보의 폭발을 생각해보세요.” CfA와 SAO의 천체물리학자이자 EHT의 창립 이사인 논문 공동 책임자 셰퍼드 “셰프” 돌레만은 이렇게 말했습니다. “이 새로운 '색각'를 통해 우리는 아인슈타인의 중력 효과를 블랙홀에 공급하고 은하계 너머로 흘러가는 강력한 제트기를 발사하는 뜨거운 가스와 자기장에서 분리할 수 있습니다.”

프리즘은 흰색 빛을 무지개색으로 분리하는데, 이는 빛의 파장이 다르면 유리를 통해 다른 속도로 이동하기 때문입니다. 하지만 중력은 모든 빛을 비슷하게 구부리기 때문에 아인슈타인은 EHT가 보는 고리의 크기가 230GHz와 345GHz에서 비슷해야 하고, 블랙홀 주변을 소용돌이치는 뜨거운 가스는 이 두 주파수에서 다르게 보일 것이라고 예측합니다.

VLBI 기술이 345GHz 주파수에서 성공적으로 사용된 것은 이번이 처음입니다. 345GHz에서 단일 망원경으로 밤하늘을 관찰하는 능력은 이전에도 있었지만, 이 주파수에서 VLBI 기술을 사용하는 것은 오랜 시간 동안 시간과 기술적 발전이 필요한 과제를 안고 있었습니다.

대기 중의 수증기는 230GHz보다 345GHz에서 파동을 훨씬 더 많이 흡수하여 더 높은 주파수에서 블랙홀의 신호를 약화시킵니다. 핵심은 EHT의 감도를 개선하는 것이었는데, 연구자들은 계측기의 대역폭을 늘리고 모든 사이트에서 좋은 날씨를 기다려서 그렇게 했습니다.

새로운 실험에서는 EHT의 두 개의 작은 하위 어레이(칠레의 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 어레이(ALMA)와 아타카마 패스파인더 실험(APEX), 스페인의 IRAM 30m 망원경, 프랑스의 NOrthern Extended Millimeter Array(NOEMA), 하와이 마우나케아의 서브밀리미터 어레이(SMA), 그린란드 망원경)를 사용하여 최대 19마이크로초각의 분해능으로 측정을 수행했습니다.

CfA와 SAO의 천체물리학자이자 SMA의 프로젝트 엔지니어인 니메쉬 파텔은 “지구상에서 가장 강력한 관측 장소는 대기 투명도와 안정성이 최적의 고지대에 있지만 날씨는 더 극적일 수 있습니다.”라고 말하며, SMA에서 새로운 관측을 위해 눈보라가 지난 후 몇 분 남지 않은 안정적인 날씨에 마우나케아의 얼음길을 뚫고 어레이를 열어야 했다고 덧붙였습니다.

“이제 더 넓은 무선 스펙트럼을 처리하고 포착하는 고대역폭 시스템을 통해 날씨와 같은 기본적인 감도 문제를 극복하기 시작했습니다. 새로운 탐지 결과가 증명하듯이 345GHz로 진전할 때가 되었습니다.” Patel이 덧붙였습니다.

이 업적은 또한 블랙홀을 둘러싼 사건 지평선 환경의 고화질 영화를 만드는 길에 또 다른 발판을 제공하는데, 이는 기존 글로벌 어레이의 업그레이드에 의존할 것입니다. 계획된 차세대 EHT(ngEHT) 프로젝트는 최적화된 지리적 위치에 EHT에 새로운 안테나를 추가하고, 100GHz와 345GHz 사이의 여러 주파수에서 동시에 작동하도록 모든 안테나를 업그레이드하여 기존 스테이션을 개선할 것입니다.

이러한 업그레이드와 다른 업그레이드의 결과로 글로벌 어레이는 EHT가 이미징을 위해 제공하는 선명하고 깨끗한 데이터의 양을 10배 증가시킬 것으로 예상되며, 이를 통해 과학자들은 더 자세하고 민감한 이미지를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 폭력적인 우주적 짐승이 출연하는 영화도 제작할 수 있게 됩니다.

CfA와 SAO의 이사인 Lisa Kewley는 “EHT가 345GHz에서 성공적으로 관측한 것은 중요한 과학적 이정표입니다.”라고 말했습니다. “해상도의 한계를 넓힘으로써 우리는 영상에서 전례 없는 선명도를 달성하고 있습니다. 블랙홀 우리는 일찍부터 약속했고 지상 기반 천체물리학 연구 역량에 대한 새롭고 더 높은 기준을 설정했습니다.”