Probing jet base emission of M87* with the 2021 Event Horizon Telescope observations
중간 기선(intermediate baselines)을 이용한 향상된 2021년 이벤트 호라이즌 망원경 관측을 통해, 본 연구는 M87*에서 투영된 분리 거리 약 5500 AU 지점에 위치한 약 60 mJy의 희미한 제트 기부 방출 성분을 식별하였으며, 더 밝은 방출을 배제하고 향후 더 넓은 기선 범위를 갖춘 관측이 이루어지기 전까지 이 검출을 상한선으로 설정하였다.
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M87*로 알려진 은하 중심의 블랙홀을 우주의 등대로 상상해 보십시오. 수년 동안 천문학자들은 이 블랙홀의 '그림자'(어두운 중심부)와 그 주위를 소용돌이치며 도는 밝은 빛의 고리를 선명하게 촬영하기 위해 노력해 왔습니다. 이것은 마치 어둠 속에서 아주 작은 동전을 사진으로 찍으려는 것과 같습니다.
하지만 문제가 하나 있습니다. 우리는 이 등대가 우주 멀리까지 뻗어 나가는 거대한 에너지 빔(제트)을 쏘아 올린다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 사건 지평선 망원경(EHT)이 2017년과 2018년에 사진을 찍었을 때, 사진의 가장자리는 다소 흐릿했습니다. 마치 카메라가 빛의 일부를 놓치고 있는 것 같았는데, 구체적으로는 블랙홀 바로 옆, 제트가 시작되는 기저부에서 나오는 희미한 빛을 놓친 것이었습니다. 과학자들은 이를 '누락된 플럭스(missing flux)'라고 불렀습니다. 즉, 실제로는 1 Jy의 빛이 존재했지만, 망원경 배열이 이를 포착할 수 있도록 설정되지 않아 카메라에는 보이지 않았던 것입니다.
새로운 카메라 설정
2021년, EHT 팀은 그들의 '카메라'를 업그레이드했습니다. 프랑스의 NOEMA와 애리조나의 Kitt Peak라는 두 대의 새로운 망원경을 추가한 것입니다. 이 새로운 망원경들을 먼 곳의 물체를 보려는 한 집단에 두 개의 눈을 더하는 것으로 생각할 수 있습니다.
결정적으로, 이 새로운 눈들은 기존 망원경들과 '중간 길이'의 연결(기선, baselines)을 만들어냈습니다.
- 기존 설정: 매우 긴 연결(미세한 디테일을 보는 용도)과 매우 짧은 연결(거대하고 흐릿한 덩어리를 보는 용도)은 있었지만, 중간 단계는 없었습니다.
- 새로운 설정: 이제 '중간 지점', 즉 제트 발사대의 특정 크기를 볼 수 있는 연결을 갖게 되었습니다.
탐정 놀이
새로운 망원경을 추가했음에도 불구하고, 관측 범위가 여전히 성기기 때문에 팀은 제트의 기저부를 완벽한 사진으로 바로 찍어낼 수는 없었습니다. 그래서 그들은 '폐쇄 위상(closure phases)'이라는 영리한 기술을 사용하는 탐정처럼 행동했습니다.
세 사람이 삼각형 모양으로 서서 각자 무전기를 들고 있다고 상상해 보십시오. 그들은 모두에게서 들리는 신호의 타이밍을 비교합니다. 만약 신호가 완벽하게 대칭인 광원(예: 완벽한 고리 형태)에서 온다면, 타이밍 수학은 0이 됩니다. 하지만 만약 옆쪽 어딘가에 희미한 추가 광원이 있다면, 수학적 계산이 맞지 않게 되어 '잔차(residual)' 또는 '돌출부(bump)'가 남게 됩니다.
팀은 이러한 돌출부를 발견했습니다. 데이터는 완벽한 고리 모델만으로는 충분하지 않으며, 중심에서 약간 벗어난 다른 무언가가 있다는 것을 보여주었습니다.
발견
이 추가적인 빛을 단순한 '가우시안(Gaussian, 매끄럽고 흐릿한 빛의 덩어리)' 모델로 설정함으로써, 팀은 다음을 찾아냈습니다:
- 위치: 추가적인 빛은 블랙홀 고리의 **남서쪽(South-West)**에 위치합니다. 이는 거대한 제트가 뿜어져 나오는 방향과 일치합니다.
- 밝기: 매우 희미하여 약 60 밀리잔스키(milliJanskys)입니다. 이를 체감하기 위해 설명하자면, 메인 고리가 밝은 전구라면 이 제트의 기저부는 희미한 취침등과 같습니다.
- 크기: 폭은 약 180 마이크로아크초(microarcseconds)이며, 이는 달에서 본 자몽의 크기와 비슷합니다.
이것이 중요한 이유 (그리고 중요하지 않은 이유)
이 발견은 제트가 어디서 시작되는지에 대한 데드라인을 드디어 지도 위에 찍어준 것이기에 매우 중요합니다. 이는 이전 몇 년간의 '누락된 빛'이 다른 곳에 있는 거대하고 보이지 않는 구름에서 온 것이 아니라, 바로 이 특정 지점에서 온 것임을 확인해 줍니다.
하지만 저자들은 과도한 기대감을 불러일으키지 않도록 매우 주의를 기울이고 있습니다.
- '상한선'에 대한 주의 사항: 단 두 개의 새로운 망원경 연결만을 가졌기 때문에, 제트의 형태를 상세하게 그려낼 수는 없습니다. 그들은 단지 "여기에 희미한 덩어리가 있으며, 이것이 최대 밝기이다"라고 말할 수 있을 뿐입니다.
- 기존 사진과의 충돌 없음: 그들은 이번 새로운 발견을 2017년 및 2018년 사진과 대조해 보았습니다. 그 결과, 기존의 사진들은 아무 문제가 없었다는 것을 확인했습니다! 기존의 망원경들은 이 희미한 덩어리를 볼 수 없었을 뿐이며, 따라서 당시 사용되었던 '고리 전용' 모델들은 해당 망원경들이 볼 수 있었던 범위 내에서는 여전히 정확했습니다. 새로운 데이터는 단지 이전의 카메라들이 놓쳤던 아주 작고 희미한 디테일을 추가한 것뿐입니다.
핵심 요약
업그레이드된 망원경 네트워크를 사용하여, 천문학자들은 마침내 M87* 제트 기저부의 희미하고 흐릿한 빛을 감지해 냈습니다. 이 빛은 물리학이 예측하는 위치(남서쪽)에 정확히 위치해 있지만, 매우 어둡습니다. 비록 아직 제트의 형태를 완전히 그려낼 수는 없지만, 그들은 그것이 존재한다는 것을 증명했고 그 밝기의 엄격한 한계치를 정했습니다. 이는 마치 이전에 보이지 않았던 거대한 용광로의 희미한 점화 불꽃을 마침내 포착한 것과 같습니다.
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