블랙홀 이미지가 알려주는 것

과학자들이 보이지 않는 블랙홀을 '촬영'할 때: 이미지는 망원경 세트로 수집된 데이터에서 생성된 주변 영역을 캡처하고 블랙홀을 더 잘 이해할 수 있는 플랫폼을 제공합니다.

최초의 블랙홀 이미지. Event Horizon Telescope 프로젝트에서 캡처했습니다. (이미지 출처: 국립과학수사연구원)

블랙홀은 우주 전체에서 가장 어두운 영역으로 추정됩니다. 그러나 과학자들이 지난 주에 사상 처음으로 블랙홀의 사진을 찍을 수 있었다고 발표했을 때 그들이 공개한 이미지는 전혀 어둡지 않았습니다. 지난 한 주 동안 가장 널리 퍼진 이미지 중 하나가 된 밝은 주황색과 도넛 모양으로 나타났습니다. 빛이 블랙홀을 빠져나갈 수 없을 때 사진은 어떻게 이루어졌으며 그 성취가 중요한 이유는 무엇입니까?

이미지가 보여주는 것

사진의 주 피사체는 지구에서 5,500만 광년 떨어진 Messier 87이라는 은하의 중심에 있는 블랙홀로, 사진 속 도넛 모양의 작고 어두운 중심핵에 갇혀 있었다. 그 안에 갇힌 밝은 환경. 이것이 블랙홀을 촬영할 수 있는 유일한 방법이었습니다. 블랙홀 자체는 빛을 방출하거나 방출하지 않으며, 인간이 만든 기기로 감지할 수 있는 다른 전자기파도 방출하지 않습니다. 그러나 블랙홀 경계 바로 바깥쪽에 있는 사건의 지평선(event horizon)이라고 불리는 엄청난 양의 가스, 구름, 플라즈마가 격렬하게 소용돌이치는 영역은 가시광선을 포함한 모든 종류의 복사를 방출합니다.

설명: 여기에 블랙홀이 있으며 이전에는 왜 사진이 찍히지 않았습니까?

블랙홀 바깥쪽도 촬영이 쉽지 않았다. 문제의 블랙홀의 지름은 1.5광일, 즉 약 400억 킬로미터였습니다. 블랙홀 외부의 고리는 일반적으로 4~5배 더 크게 팽창합니다. 그러나 지구로부터의 매우 먼 거리 때문에 한 점 크기의 사진보다 더 좋은 것을 기록하는 것은 물리적으로 사용 가능한 도구로 불가능하다는 것을 의미했습니다. 과학자들은 마침내 그들이 포착할 수 있었던 것과 같은 더 큰 해상도의 사진을 얻으려면 안테나가 지구만큼 큰 망원경이 필요하다고 계산했습니다.

중요한 이유

과학자들은 이 지역을 연구하기 위해 수년 동안 컴퓨터로 시뮬레이션한 블랙홀 이미지를 사용해 왔습니다. 처음으로 실제 이미지가 있습니다. 매우 유사해 보이지만 과학자들은 이제 실제 이미지를 자세히 관찰하여 세부 사항에서 컴퓨터 시뮬레이션 이미지와 다른지, 그리고 이러한 차이가 계측, 관찰 또는 기타 오류로 설명될 수 있는지 여부를 확인하기 시작합니다. 이것은 우주에 대한 기존 이론에 대한 테스트를 제공하고 블랙홀과 우주 자체의 본질에 대한 더 나은 이해로 이어질 수 있습니다.

블랙홀 선택

M87 은하의 블랙홀을 촬영하는 대신 훨씬 더 가까운 블랙홀을 촬영하는 대안이 있었습니다. 지구에 훨씬 더 가까운 곳에 수천, 수백만 개의 블랙홀이 있지만 모든 블랙홀이 사진에 찍힐 수 있는 후보는 아닙니다. 과학자들은 지구에서 사용할 수 있는 장비로 포착할 수 있을 만큼 충분히 큰 특정 크기의 블랙홀을 찾고 있었습니다. M87 은하의 블랙홀은 태양 크기의 약 60억 배이며 알려진 가장 큰 블랙홀 중 하나입니다. 지구에 비슷한 크기의 블랙홀은 없습니다.

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그럼에도 불구하고 우리 은하계에 후보가 있었습니다. 우리은하의 중심에 있는 궁수자리 A* 블랙홀은 태양 크기의 약 430만 배이며 지구에서 불과 25,000광년 떨어져 있습니다. M87 은하에 비해 지구에 약 2,000배 가깝지만 약 1,500배 작습니다. 따라서 규모 면에서 두 개의 후보 블랙홀은 유사한 사진 촬영 기회를 제공했습니다.

망원경 설정

지구 크기의 망원경은 사용할 수 있는 것이 아니었습니다. 따라서 과학자들은 도구의 한계를 극복하기 위해 독창적인 새로운 방법을 고안해야 했습니다. 그들은 세계에서 가장 크고 가장 정교한 전파 망원경 8개를 사용하기로 결정하고 그것들을 가상 지구 크기의 망원경처럼 작동시킬 수 있는 기술과 연결했습니다. 망원경은 블랙홀 지역에서 들어오는 복사를 동시에 기록했습니다. 각각의 망원경에는 원자 시계가 장착되어 있어 나중에 기록을 극도로 정확하게 일치시킬 수 있었습니다.

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개별 망원경은 각각 블랙홀 지역에서 들어오는 방사선을 수집했습니다. 그러나 크기의 한계로 인해 그들은 모두 블랙홀에 대한 정보가 매우 제한적이었습니다. 정확한 시간에 이 망원경으로 기록된 데이터를 일치시키면 과학자들은 더 많은 정보를 얻을 수 있었지만 이 망원경으로 포착할 수 없는 엄청난 양의 정보에 대해서는 아무 것도 할 수 없었습니다.

데이터에서 이미지 구축

과학자들은 망원경이 포착한 제한된 정보로 블랙홀의 전체 이미지를 재현하기 위해 슈퍼컴퓨터의 도움을 받았습니다. 제한된 데이터로 전체 사진을 재구성하는 것은 드문 일이 아닙니다. 컴퓨터에서 음악, 이미지 또는 비디오 파일의 크기를 줄이는 데 사용하는 압축 기술은 유사한 원칙에 따라 작동합니다. 우리는 크기를 줄이면서 많은 정보를 버리고 있지만 품질은 약간 떨어지긴 하지만 컴퓨터는 여전히 음악이나 비디오를 재생할 수 있습니다.

물론, 블랙홀 이미지를 연구하는 과학자들의 도전은 파일 압축에 사용된 기술보다 더 복잡했습니다. 처리해야 할 데이터의 양은 엄청났지만 방사선에서 직접 얻을 수 있는 정보는 극히 제한적이었습니다. 따라서 이미지를 재생성하기 위해 획기적인 접근 방식을 사용하여 완전히 새로운 알고리즘을 작성해야 했던 것은 놀라운 일이 아닙니다.

그 결과, 세상에 나온 그 사진의 많은 픽셀이 컴퓨터에 의해 생성되었을 수 있습니다. 그러나 그들은 컴퓨터 시뮬레이션 이미지에서 발생하는 것처럼 수학적 모델에서 생성되는 것이 아니라 망원경을 직접 관찰한 결과인 픽셀의 정보를 사용하여 생성되었습니다.

세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 엄청난 양의 데이터를 처리하고 M87 은하의 블랙홀 이미지를 재현하는 데 2년이 걸렸습니다. 궁수자리 A* 블랙홀의 사진은 아직 공개되지 않았는데, 이는 이미지가 아직 준비되지 않았기 때문인 것으로 보입니다.

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