[풀어쓰는 과학 이야기] 인간은 어떻게 블랙홀 사진을 찍었나

세계 11개 전파망원경, 300명 과학자 참여한 초거대 국제 공동 연구 프로젝트

얼마 전 우리은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 '궁수자리A(Sgt A*)'의 사진이 공개됐다. 지난 2019년 M87 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 영상을 포착한데 이어 두번째 블랙홀 이미지다.

우주의 생성과 진화에 관한 연구에 주요한 전환점이 될 전망이다. 

궁수자리 A 블랙홀 이미지 (자료=천문연)

블랙홀은 빛조차 흡수해버리기 때문에 직접 볼 수 없다. 보이지 않는 블랙홀의 모습을 어떻게 포착할 수 있었을까?

여기에는 세계의 대형 전파망원경 여러 개를 하나로 묶은 초거대 국제협력 연구인 '사건지평망원경(EHT, Event Horizon Telescope)' 프로젝트, 그리고 뜻을 함께 한 300명이 넘는 세계 과학자들의 노력이 있었다. 한국천문연구원 등 국내 과학자들도 참여해 한몫을 해냈다.

■ 블랙홀의 그림자를 찾아

사건의 지평(event horizon)이란 블랙홀의 안과 밖을 나누는 경계선을 말한다. 블랙홀은 주변 물질은 물론 빛까지 빠져나가지 못 하게 막고 빨아들이기 때문에 관측할 수 없다.

하지만 블랙홀에 흡수될만큼 가까이 접근하지 않은 물질은 블랙홀의 중력에 따라 주변을 공전하게 된다. 이 물질들이 공전하며 블랙홀로 끌려들어가는 과정에서 마찰이 발생해 강력한 빛을 낸다. 

블랙홀의 구조 (자료=EHT)

어두운 중심부와 주변을 둘러싼 밝은 원반을 가진 블랙홀의 이미지는 여기서 나왔다.

블랙홀의 존재는 이론적으로는 예측되어 왔지만, 실제 관측은 어려웠다. 이러한 모습을 관측하려면 높은 해상도를 가진 거대한 관측 기구가 필요하다. 

그래서 시작된 프로젝트가 EHT이다.

■ 지구 크기의 망원경 EHT

EHT는 말 그대로 블랙홀 사건의 지평을 관측하기 위한 프로젝트다. 2009년 미국, 스페인, 칠레, 남극 등 세계 8개 지역에 흩어져 있는 전파망원경을 연동해 출범했으며, 현재 11대로 참여 망원경이 늘었다.

전파망원경은 우주에서 들어오는 전파를 수신하는 망원경이다. 가시광선 대역에서 관측하는 광학 망원경과 달리, 눈에 보이지 않는 다양한 파장대의 전자기파를 관측할 수 있다. 

하지만 파장이 긴 전파를 관측하기 때문에 분해능은 반비례해서 떨어진다. 분해능이란 멀리 떨어져 있는 천체나 빛을 내는 영역을 잘 구분해내는 능력을 말한다.

EHT에 참여한 전파망원경들의 합성 이미지 (자료=EHT)

EHT는 세계 각지의 전파망원경을 연결, 하나의 거대한 가상 망원경을 만들어 이 문제를 극복했다. 실질적으로 지구 크기의 망원경이라 할 수 있다. 과학자들은 현재 기술 수준에서 가장 관측 성공 가능성이 높은 M87이나 궁수자리A 블랙홀을 관측하려해도 지구 크기 정도의 전파망원경이 필요하다는 결론을 얻고 EHT를 구축했다.

이런 가상 망원경을 ‘초장거리 간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometry)’라고 한다. 수백~수천 킬로미터 떨어진 여러 대의 전파망원경으로 동시에 같은 천체를 관측하고, 이렇게 관측한 데이터를 합성하는 기법이다. 이를 통해 전파망원경 사이의 거리에 해당하는 구경을 가진 거대한 가상 망원경을 구현한다. 20m 남짓한 구경의 전파망원경이 수백 킬로미터 직경의 전파망원경만큼 분해능이 좋아질 수 있다는 것이다. 가시광선이나 자외선처럼 전파에 비해 파장이 짧은 다른 빛으로는 간섭계를 구성할 수 없다.

EHT 프로젝트에 참여한 세계 전파망원경 (자료=천문연)

간섭계를 구성하는 전파망원경의 수가 많고, 그들 사이의 거리와 방향이 다양할수록 간섭계의 영상 복원능력이 향상된다. EHT는 파리에서 뉴욕에 있는 카페의 신문 글자를 알아볼 수 있을 정도의 분해능을 가졌다.

■ 방대한 데이터 처리해 이미지로 복원

블랙홀의 모습을 시각적으로 보여주려면 이렇게 입수한 데이터를 분석하고, 이를 이미지로 구현해야 한다.

EHT는 방대한 분량의 데이터를 수집한다. 하지만 EHT로 거대한 가상 망원경을 구축해 분해능은 높였다 해도, 빛을 모으는 능력 등 다른 성능은 떨어질 수밖에 없다. 데이터를 모으는 망원경 숫자는 몇 개에 불과하기 때문에 블랙홀 이미지를 구현하기 위한 정보는 여전히 턱없이 부족하다.

연구진은 불완전하지만 방대한 데이터를 분석하고, 최대한 비슷한 모습을 찾아내야 하는 과제를 안은 것이다. EHT 참여 과학자들은 실제와 관측 데이터 사이의 차이를 메우고, 데이터를 보정하고 이미지로 구현하기 위한 알고리즘을 개발해 활용했다.

블랙홀 관측 데이터를 이미지로 복원하는 알고리즘을 개발한 케이티 바우만 박사가 관측 데이터가 담긴 하드디스크 앞에 서 있다.

이는 마치 건반이 여러 개 망가진 피아노로 연주하는 음악을 듣는 것과 같다. 완전한 음악을 들을 수는 없지만, 음악이 진행됨에 따라 노래의 다른 부분을 통해 어떤 노래인지 짐작할 수 있다. 불완전한 데이터로부터 최대한 정확한 모습을 복원할 수 있게 된 것이다.

2019년 M87 블랙홀 이미지를 얻기 위해 쓰인 데이터는 무려 5페타바이트에 달했다. 5천 년 간 재생되는 MP3 파일 크기에 해당하는 이 데이터를 저장하기 위해 500㎏ 분량의 하드디스크가 필요했다. 이 정도 데이터를 빠르고 안정적으로 전송할 수 있는 네트워크가 없어, 데이터를 하드디스크에 담아 비행기로 수송해야 했다.

■ 블랙홀 영상도 얻을 수 있을까?

간섭계 기술로 여러 전파망원경이 연동된 거대한 가상 망원경을 만들 수 있다면, 우주에도 망원경을 띄워 더 성능이 좋은 망원경 네트워크를 구축할 수 있지 않을까?

천문연 관계자는 "망원경이 지구에서 멀어지면 신호 수신에 어려움이 생겨 관측에 지장을 받는다"고 설명했다. 덩치가 큰 전파망원경을 우주로 띄우는 것도 부담이다. 다만 M87이나 궁수자리A와 같이 상대적으로 관측하기 쉬운 블랙홀 외에 다른 블랙홀을 관측하려면 다른 주파수 대역을 발굴하는 등 기술적 진전이 필요하다.

최근 민간 위성 산업이 활기를 띄면서 지구 궤도에 인공위성이 늘어나는 것이 관측에 어떤 영향을 미칠지도 주목된다. 스페이스X가 위성 인터넷 서비스를 위해 쏘아 올린 스타링크 위성만 현재 2천 개가 넘는 상황이다.

지구 저궤도에 배치된 스타링크 위성의 모습 (사진=스페이스X)

EHT는 다른 위성이 거의 쓰지 않는 230㎓ 주파수를 쓰고 있어 한동안 별다른 영향은 없어 보인다. 현재는 광학망원경이 주로 영향을 받고 있으며, 낮은 주파수를 쓰는 전파망원경부터 조금씩 영향을 받으리란 전망이 나온다.

연구진은 향후 이미지의 감도와 품질을 높여 블랙홀 관련 물질의 유입과 방출 과정을 보다 자세히 연구, 우주와 블랙홀 진화에 대한 실마리를 풀어간다는 목표다.

또 정지된 이미지가 아닌 블랙홀 동영상 구현에도 도전한다. 블랙홀 이미징 알고리즘 개발을 주도한 케이티 바우만 박사는 궁수자리A 블랙홀 이미지 공개 후 여린 기자회견에서 "지난 M87 블랙홀 때부터 블랙홀 영상을 위한 알고리즘을 개발했지만, 아직 신뢰성 있게 구현할 수준엔 못 미쳤다"라고 말했다.

동영상을 만들 데이터를 수집하려면 관측을 더 많이 해야 한다. 하지만 EHT 참여 망원경은 EHT 외에 다른 프로젝트를 위한 관측도 해야 한다. 연구진은 정해진 관측 시간 외 망원경 유휴 시간에도 수시로 관측할 수 있게 하는 기술적 개선을 2024년까지 추진할 계획이다.