일반 상대성이론 예측에 맞춰 M87 블랙홀에 대한 최신 연구 결과가 네이처지에 게재됐다.

9월 27일, 네이처(Nature) 매거진은 45개 기관으로 구성된 국제 과학 연구팀의 최신 연구 결과를 발표했습니다. 2000년부터 2022년까지의 관측 데이터를 분석한 결과, M87 은하 중심의 블랙홀 제트는 약 11년의 진동주기, 약 10도의 진폭을 갖는 주기적인 진동을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이러한 현상은 "블랙홀이 회전하는 상태에 있으면 기준계 끌림 효과가 발생할 것"이라는 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 예측과 일치한다. 이 연구 결과는 M87 블랙홀 스핀의 존재에 대한 강력한 관측 증거를 제공합니다(그림 1). Zhijiang Laboratory의 박사후 연구원인 Cui Yuzhu는 논문의 제1저자이자 교신저자입니다.

그림 1 기울어진 강착원반 모델의 개략도. 블랙홀의 회전축이 수직 위쪽이고, 제트의 방향이 강착원반 표면에 거의 수직이며, 블랙홀의 회전축과 강착의 회전축 사이에 일정한 각도가 있다고 가정합니다. 기울어진 강착원반 모델인 디스크. 블랙홀의 각운동량 방향과 강착 원반 사이의 각도는 강착 원반과 제트의 세차 운동을 촉발합니다. (출처: Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse and Zhijiang Laboratory)

제트의 주기적인 세차 운동을 성공적으로 포착했습니다

2019년 4월 10일, 전 세계 여러 곳의 천문학자들이 동시에 발표했습니다. 블랙홀의 첫 번째 사진. 이 별은 지구에서 5500만 광년 떨어진 인근 은하 M87의 중심에 위치하고 있으며 태양보다 질량이 65억 배 더 크다. 이러한 초대질량 블랙홀은 우주에서 가장 신비롭고 파괴적인 물체 중 하나입니다. 그들의 중력은 엄청나며, 부착 원반을 통해 많은 양의 물질을 "먹습니다". 동시에 빛의 속도에 가까운 고속으로 수천 광년 떨어진 곳으로 물질을 "뱉어냅니다". 제트기.

"흐릿한 빛의 중심에서 이상한 직선 광선이 뿜어져 나왔습니다." 1918년에 천문학자들은 인간이 관측한 최초의 우주 제트인 M87에서 제트를 처음으로 관측했습니다. 초대질량 블랙홀, 강착원반, 제트 사이의 에너지 전달 메커니즘은 무엇입니까? 이 질문은 한 세기가 넘도록 물리학자들과 천문학자들을 당황하게 만들었습니다.

현재 과학자들이 널리 받아들이는 이론은 블랙홀의 각운동량이 에너지의 원천이라고 믿고 있습니다. 한 가지 가능성은 블랙홀 근처에 자기장이 있고 블랙홀이 회전하는 상태에 있으면 도체가 자기장선을 자르는 것처럼 전기장이 생성되어 블랙홀 주변의 이온화된 물질이 가속되고 결국에는 물질의 일부는 엄청난 에너지를 운반하면서 방출될 것입니다. 그중에서도 초대질량 블랙홀의 회전이 이 이론의 핵심 요소이다. 그러나 블랙홀 스핀 매개변수는 측정하기가 극히 어렵고, 블랙홀이 회전하는 상태에 있는지 여부에 대한 직접적인 관측 증거는 아직 없습니다.

이 어려운 문제를 연구하기 위해 연구자들은 M87 은하 중심에 있는 초거대 블랙홀과 그 제트를 연구했습니다. 천문학자들은 초고각 분해능을 갖춘 VLBI(Very Long Baseline Interferometry)를 사용하여 블랙홀에 매우 가까운 제트 구조를 분석했습니다. 2000년부터 2022년까지의 VLBI 관측 데이터를 분석하여 연구원들은 M87에서 제트의 주기적인 세차 운동을 성공적으로 포착했습니다(그림 2) (세차 운동: 회전하는 강체가 외력에 의해 작용하여 회전축이 회전을 중심으로 회전하게 됨 특정 센터에서 현상).

이 강력한 제트기의 방향을 정기적으로 바꿀 수 있는 힘은 무엇입니까? 연구팀은 광범위한 분석 끝에 문제의 답이 강착원반의 동적 특성에 숨겨져 있을 수 있다는 결론을 내렸습니다. 특정 각운동량을 가진 물질은 블랙홀 주위를 공전하며 강착 원반을 형성합니다. 블랙홀의 중력으로 인해 블랙홀에 돌이킬 수 없을 정도로 "흡입"될 때까지 블랙홀에 계속 접근합니다. 그러나 강착원반의 각운동량은 다양한 무작위 요인에 의해 영향을 받을 수 있으며, 블랙홀의 회전축과 일정한 각도를 가질 가능성이 매우 높습니다. 그러나 블랙홀의 초강력 중력은 주변 공간과 시간에 큰 영향을 미쳐 근처 물체도 블랙홀의 회전 방향을 따라 끌려가게 되는데, 이는 아인슈타인의 일반론이 예측한 '기준계 끌림 효과'이다. 상대성 이론에 따라 강착이 발생합니다. 디스크와 제트는 주기적으로 세차운동을 합니다.

재작성된 콘텐츠: Yuzhu Cui et al.(2023)의 연구 결과에 따르면 그림 2는 2013년부터 2018년까지 2년마다 M87의 병합 제트 구조를 보여줍니다(관측 주파수 대역은 43GHz). 해당 연도는 각 하위 그림의 왼쪽 상단에 표시되어 있습니다. 흰색 화살표는 제트 위치 각도를 나타냅니다. 아래 그래프는 2000년부터 2022년까지 1년 단위로 병합된 이미지를 기준으로 가장 적합합니다. 녹색 점과 파란색 점은 각각 22GHz 및 43GHz 관찰 주파수 대역의 데이터를 나타냅니다. 빨간색 선은 세차 모형에 따른 최적의 결과를 나타냅니다

연구팀은 관찰 결과를 바탕으로 수많은 상세한 이론적 조사와 분석을 수행했으며, M87의 특성과 결합하여 슈퍼컴퓨터를 사용하여 최신 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 수치 시뮬레이션 결과는 강착 원반의 회전축과 블랙홀의 회전 축 사이에 각도가 있을 때 기준 프레임 드래그 효과로 인해 강착 원반 전체가 세차 운동을 일으키고 제트도 영향을 받는다는 것을 확인했습니다. 강착 디스크에 의해. 제트의 세차 운동을 감지하면 M87 중심 블랙홀의 회전에 대한 강력한 관측 증거를 제공하여 초대질량 블랙홀의 특성에 대한 새로운 이해를 가져올 수 있습니다.

블랙홀의 신비를 더 많이 밝히려면 컴퓨터의 도움이 필요합니다

“2017년에 M87 은하의 EAVN 데이터를 처리할 때 이러한 중요한 발견을 할 수 있어서 매우 행복하고 행운이었습니다. , 나는 제트 구조가 이전 방향과 크게 다르다는 것을 발견했습니다. 그 시점부터 우리는 6년간의 상세한 데이터 처리, 광범위한 이론적 연구 및 협력자들과의 수많은 토론을 시작했습니다."라고 Zhijiang Laboratory의 박사후 연구원인 Cui Yuzhu는 말했습니다. 블랙홀의 회전축과 강착원반의 각운동량 사이의 각도가 작고, 세차주기가 10년을 넘으며, 23년간의 고해상도 데이터가 축적되어 M87의 구조가 면밀히 분석되었는데, 이는 이 결과를 얻기 위한 필수 조건

Cui Yuzhu는 많은 협력자들의 도움과 지원은 물론 저널 편집자와 리뷰어들의 귀중한 의견에 매우 감사하다고 말했습니다. 우리 기사의 리뷰어 중 한 명은 VLBI 전파천문학 연구 분야의 전설인 제임스 모란이라는 점을 언급할 가치가 있습니다.

이 작업은 미국의 동아시아 VLBI 네트워크(EAVN)를 사용한 것으로 알려졌습니다. Baseline Array(VLBA), 한국의 KVN 및 일본의 VERA Joint Array(KaVA), 동아시아에서 이탈리아/러시아에 이르는 EATING 공동 관측 네트워크를 포함한 여러 국제 관측 네트워크에서 얻은 매우 긴 170개의 관측 데이터입니다. 전 세계가 이 연구에 기여했습니다.

그림 3 동아시아 VLBI 네트워크에서 이 논문에 참여하는 망원경의 분포(출처: Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al. 2023)

활성 은하 핵에 관한 EAVN 과학 실무 그룹 코디네이터 니혼공학원 대학의 기노 모토키 박사는 "이것은 흥미로운 과학적 이정표"라며 "전 세계 45개 기관 연구자들의 수년간의 공동 관찰 덕분에 우리는 마침내 이 과학적 미스터리를 밝혀냈다"고 말했습니다. 모델은 블랙홀과 제트 시스템에 대한 우리의 이해를 완벽하고 크게 향상시킵니다. "이 연구를 기반으로 우리는 비슷하게 기울어진 강착 원반을 가진 은하 중심에 더 많은 블랙홀이 있을 것으로 예측합니다. 구조, 그러나 기울어진 원반을 가진 더 많은 물체를 감지하는 방법 더 장기적인 관찰과 더 자세한 분석이 필요한 미스터리가 여전히 많이 남아 있습니다." 중국과학원 상하이 천문대 연구원 Shen Zhiqiang은 이번 성과를 위한 중요한 협력 단위입니다. "Shigatse는 다음과 같이 말했습니다. 최근 건설을 시작한 상하이 천문대의 40미터 전파망원경은 완공 후 EAVN의 고해상도 밀리미터파 영상 관측 능력을 더욱 강화할 것이며 더 많은 천문학적 발견으로 이어질 것으로 기대됩니다."

Cui Yuzhu는 말했습니다. M87 초대질량 블랙홀의 미세 구조와 정확한 회전 값에 대해서는 더 많은 연구가 필요합니다. 이 추가 연구는 매우 많은 수의 물리적 매개변수 검색에 의존하며 초지능 컴퓨팅 성능의 지원이 필요합니다.

현재 Zhijiang 연구소는 17개의 지능형 알고리즘을 통합하는 FAST@ZJLAB 지능형 컴퓨팅 천문학 개방형 플랫폼을 구축했으며 고속 전파 폭발 및 천체 화학과 같은 분야에서 BlinkVerse "blinkverse.alkaidos.cn", ChemiVerse를 구축했습니다. China Sky Eye FAST를 통해 안정적인 전송 채널을 구축했으며, 천문 빅데이터가 지속적으로 수집되고 있습니다.

China Sky Eye FAST의 수석 과학자이자 Zhejiang Laboratory의 천문 컴퓨팅 수석 과학자인 Li Yan은 점점 더 많은 전파 망원경이 건설됨에 따라 관측 데이터가 폭발적으로 증가하므로 천문학 연구가 점점 더 중요해질 것이라고 말했습니다. 지능형 컴퓨팅에는 더 많은 지원이 필요합니다. Zhijiang Laboratory는 데이터 처리 효율성을 향상하고 물리적 매개변수의 탐색 공간을 확장하기 위해 인공 지능, 클라우드 컴퓨팅 및 기타 기술을 천문학 연구에 도입하고 있습니다. 우리는 계산과학과 전파천문학의 깊은 통합이 블랙홀과 같은 우주의 신비한 현상의 본질을 밝히는 데 효과적으로 기여할 것이라고 믿습니다

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