노벨상과 최초의 블랙홀 사진

과학자가 게시한 최초의 블랙홀 사진에 대한 뉴스를 들어보셨을 것입니다. 이 사진은 천문학 분야뿐만 아니라 전 세계에 놀라운 소식이었죠. 이 사진은 새로운 정보의 문을 여는 첫걸음이었습니다. 우주는 새로운 정보로 하나씩 더 밝아지고 있으며, 덕분에 우리는 지구 너머의 모든 신비를 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.

최근 12명의 수상자가 2020년 노벨상을 수상했으며, 그중 한 명은 연구와 발견으로 인류에 큰 공헌을 한 것으로 알려졌습니다. 모두 훌륭한 연구자이며 이 글에서 한 명 한 명에 대해 이야기하고 싶지만, 오늘은 최초의 블랙홀 사진의 맥락을 더 잘 설명하고 이해하기 위해 노벨 물리학상 수상자인 로저 펜로즈, 라인하르트 겐첼, 안드레아 게즈의 연구에 대해 이야기해 보려고 합니다.

노벨상 공식 웹사이트에 따르면, 수상자들은 "블랙홀 형성이 일반 상대성 이론의 강력한 예측이라는 사실을 발견한 공로"와 "우리 은하 중심에서 초질량 압축 천체를 발견한 공로"를 인정받았다고 합니다. 펜로즈는 인상적인 수학적 방법을 통해 블랙홀이 아인슈타인의 상대성 이론과 연결된다는 것을 증명했으며, 라인하르트 겐첼과 안드레아 게즈의 연구는 오늘날 궁수자리 A*라는 이름으로 알려진 우리 은하 중심에 실제로 블랙홀이 있다는 반박할 수 없는 증거를 찾아냈습니다.

이 주제를 완전히 이해하려면 "블랙홀이란 무엇인가?", "블랙홀은 어떻게 만들어지는가?", "블랙홀은 어디에 있는가?" 등 블랙홀에 대한 몇 가지 기본 개념을 알아야 합니다. 어디서 찾을 수 있나요?"

가장 먼저 알아야 할 것은 천문학 분야의 많은 주제에서 많이 사용되는 개념으로, 시공간이란 무엇인가에 대한 개념입니다. 시공간은 3차원의 공간과 1차원의 시간으로 구성된 4차원 다양체이며, 우리가 사용하는 좌표계는 (x,y,z,t)입니다. 흥미로운 사실은 이 좌표계에서 한 점을 이벤트라고 부른다는 것입니다. 이를 통해 블랙홀의 정의를 얻을 수 있습니다.

블랙홀은 시공간 영역입니다. 중력이 너무 강해서 가스, 먼지, 입자, 심지어 빛도 빠져나올 수 없는 곳! 그들은 모두 중력을 통해 블랙홀로 강하게 끌려 들어가 사라지고 과학자들에게는 오늘날까지도 알려지지 않은 장소로 이동합니다. 여기서 흥미로운 점은 빛조차도 이 힘에서 벗어날 수 없다면 블랙홀을 볼 수도, 블랙홀이 어디에 있는지 알 수도 없다는 것입니다. 마치 검은 배경에서 검은 물체를 보려고 하면 볼 수 없거나 볼 수 있다고 해도 매우 어렵다는 것과 같습니다. 그렇다면 과학자는 어떻게 할까요?

이론적으로 블랙홀은 보통 태양보다 훨씬 무거운 매우 거대한 별이 수명이 다해 붕괴할 때 형성됩니다. 질량은 죽은 별이 블랙홀이 될지 중성자별이 될지 결정하는 데 매우 중요한 요소입니다. 이 초질량 별은 중력 때문에 매우 작은 공간으로 압축되어 블랙홀을 형성하는데, 일반 상대성 이론에 따르면 압축된 질량은 시공간을 변형시킬 수 있습니다.

이 시공간 변형은 밀도가 높은 질량체의 중심을 향하는 중력 가속력을 생성합니다. 그리고 이 힘 때문에 블랙홀에 가깝거나 근처에 있는 기체와 입자는 블랙홀로 강제로 끌려가면서 회전 속도를 얻기 시작합니다. 이 현상을 축적 디스크.

이 중력과 마찰력으로 인해 전하를 띤 모든 기체와 입자는 온도 상승뿐만 아니라 적외선이나 X-선과 같은 다른 주파수의 전자기 복사를 생성합니다. 이 놀라운 특성 때문에 블랙홀을 "볼" 수 있습니다. 이것은 좋지만 과학자의 작업을 100% 용이하게 하지는 못하며, 추적할 수 있는 주파수는 있지만 여전히 "저기 하늘에 블랙홀이 있다"고 말할 수는 없습니다. 블랙홀의 빛은 일반 별과 동일하게 취급할 수 없으며 서로 매우 다르기 때문입니다. 하지만 좋은 소식은 처음에 검은색 물체가 이제 검은색 배경에서 약간 밝아졌다는 것입니다.

블랙홀의 첫 번째 그림에서, 우리는 적색 원반을 볼 수 있습니다. 이 블랙홀은 우리 태양보다 650만 배나 무겁고 지구에서 5,300만 광년 떨어진 메시에 87 은하에 위치하고 있습니다. 이 사진은 전 세계 8개의 다른 망원경과 이벤트 호라이즌 망원경, 그리고 다른 우주 망원경 임무가 2017년 4월에 M87의 데이터를 동시에 포착한 덕분에 가능했습니다. 각각 블랙홀로부터 다른 데이터를 캡처한 다음 나중에 모든 데이터를 합쳐서 이미지를 만듭니다. 쉽고 한 번에 끝나는 것처럼 들릴 수 있지만 과학자들은 모든 데이터를 완전히 이해하고 데이터를 처리하는 방법, 어떤 알고리즘을 사용할지, 어떻게 사용할지 이해하기 위해 열심히 노력해야 했습니다.

1997년에 발표된 논문에서 겐젤은 1992년부터 1996년까지 5년 동안의 데이터를 수집하여 Sgr A* 바로 근처에서 빠르게 움직이는 별들을 포착했으며, 이 별들 가운데에 매우 크고 무거운 암흑 질량이 존재한다는 것을 보여주었습니다. "그 밀도에서는 정상적인 별, 항성 잔해 또는 항성하 개체의 안정적인 구성이 없다"고 논문은 말합니다 (GENZEL et al., 1997). 결론적으로 "우리 은하의 중심에는 거대한 블랙홀이 존재해야 한다"는 것입니다.

1998년에 발표된 또 다른 논문에서 "항성 표면 밀도와 속도 분산 모두의 피크가 블랙홀 후보(당시에는 아직 후보)인 Sgr A*의 위치와 일치한다"고 말한 것처럼, 2년간의 연구에서 같은 위치에서 동일한 패턴의 이동이 시작되는 것을 감지했습니다(GHEZ et al., 1998). 이 연구에 사용된 이미지는 첨삭 원반에서 방출되는 주파수의 일종인 근적외선 파장을 통해 얻었습니다.

다음은 이러한 기사가 포함된 짧은 목록입니다:

은하수 중앙의 어두운 덩어리의 본질에 대해. 왕립 천문학회 월간 공지사항291쪽, 1절, 219~234쪽, 11쪽. 1997.

궁수자리 A\ast 부근의 높은 적정 운동 별. GHEZ, A. M. et al: 우리 은하 중심에있는 초질량 블랙홀의 증거. 천체물리학 저널509, 2쪽, 678-686쪽, 1998년 12월.

GHEZ, A. M. 외. 항성 궤도를 가진 은하수 중앙 초질량 블랙홀의 거리 및 특성 측정. 천체물리학 저널, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, 데즈 2008.

우주는 정말 아름답지 않나요?

이 모든 것이 이미 놀랍지만, 노벨 물리학위원회 데이비드 하빌랜드 위원장이 "...이 이국적인 물체는 여전히 답을 구하고 미래의 연구에 동기를 부여하는 많은 의문을 제기하고 있습니다."라고 말한 것처럼 앞으로 더 많은 것이 밝혀질 것입니다. 내부 구조에 대한 질문뿐만 아니라 블랙홀 바로 근처의 극한 조건에서 중력 이론을 테스트하는 방법에 대한 질문도 있습니다."라고 말했습니다. 저희는 다음 방학도 기대하며 여기 있을 것입니다! 한편, 올해의 수상자들에게 감사의 인사를 전합니다. 로저 펜로즈, 라인하르트 겐첼 그리고 안드레아 게즈당신은 멋져요!

로저 펜로즈의 작품에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면 그의 작품을 설명하는 몇 가지 기사를 참고하세요. 그 중 하나는 전설적인 스티븐 호킹. 이 기사도 여기에서 확인할 수 있습니다:

호킹, S.; 펜로즈, R. 공간과 시간의 본질. 미국 물리학 저널, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1997 년 7 월 1 일.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. 상대론적 역학의 기초로서의 에너지 보존. II. 미국 물리학 저널, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.

뉴먼, E.; 펜로즈, R. 스핀 계수 방법에 의한 중력 방사선에 대한 접근. 수학 물리학 저널, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.

펜로즈, R.; 린들러, W. 상대론적 역학의 기초로서의 에너지 보존. 미국 물리학 저널, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1965 년 1 월 1 일.

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