사상수평선망원경

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1. 개요
2. 망원경 배열
3. 주요 관측 결과
4. 참여 기관
5. 연구 지원
참조

1. 개요

사상수평선망원경(EHT)은 전 세계 전파 망원경을 연결하여 하나의 가상 망원경처럼 작동하는 초장기선 간섭계(VLBI) 기술을 사용한다. EHT는 블랙홀의 사건의 지평선을 직접 촬영하는 것을 목표로 하며, 2019년에는 M87 은하 중심의 블랙홀 이미지를 공개했다. 2022년에는 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 블랙홀의 이미지를 공개했으며, 2024년에는 편광된 빛으로 촬영된 궁수자리 A* 이미지를 공개했다. EHT 협력에는 전 세계 13개 기관이 참여하고 있으며, 국립 과학 재단, 유럽 연구 위원회 등으로부터 자금 지원을 받는다.

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사상수평선망원경
기본 정보
이벤트 호라이즌 망원경 로고
설립일	2009년
관련 정보
관련 저널	https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_EHT

2. 망원경 배열

EHT는 초장기선 간섭계(Very Long Baseline Interferometry, VLBI) 기술을 사용하여 전 세계의 여러 전파 관측소나 전파 망원경 시설을 연결하여 작동한다. 이를 통해 높은 감도와 고각 분해능을 가진 망원경을 구현한다.^[16] 수백 또는 수천 킬로미터 떨어진 여러 독립적인 전파 안테나들이 위상 배열처럼 작동하며, 이는 전자적으로 조준 가능한 가상 망원경을 형성하여 전체 행성 직경의 구경 합성을 통해 각 분해능을 크게 향상시킨다.^[16]

이러한 시스템을 구현하기 위해 230–450 GHz에서 초장기선 간섭계를 가능하게 하는 서브밀리미터 천문학 이중 편광 수신기, 매우 안정적인 주파수 표준, 더 높은 대역폭의 VLBI 백엔드 및 레코더 개발 및 배포, 새로운 서브밀리미터 VLBI 관측소의 시운전 등이 필요했다.^[17]

EHT의 VLBI 메커니즘을 보여주는 개략적인 다이어그램. 넓은 거리에 걸쳐 흩어져 있는 각 안테나는 매우 정밀한 원자 시계를 가지고 있다. 안테나에서 수집된 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되어 원자 시계에서 제공하는 시간 신호와 함께 하드 드라이브에 저장된다. 그런 다음 하드 드라이브는 동기화를 위해 중앙 위치로 배송된다. 천문 관측 이미지는 여러 위치에서 수집된 데이터를 처리하여 얻는다.

2006년 첫 데이터 캡처 이후, EHT는 매년 전 세계 전파 망원경 네트워크에 더 많은 관측소를 추가해왔다. 은하 중심의 초대질량 블랙홀인 궁수자리 A*의 첫 번째 이미지는 2017년 4월에 수집된 데이터로 제작될 예정이었으나,^[18]^[19] 남극 망원경에서 데이터가 배송되는 2017년 12월까지 전체 데이터 세트를 처리할 수 없었다. 이는 남극의 겨울(4월~10월)에는 남극으로 오가는 항공편이 없기 때문이었다.^[20]

각 망원경에서 관측된 데이터는 매우 정밀한 원자 시계를 사용하여 기록되며, 아날로그 신호는 디지털 신호로 변환되어 원자 시계가 제공하는 시간 신호와 함께 하드 드라이브에 저장된다. 이 하드 드라이브는 상업 화물 항공기(일명 스니커넷)^[21]를 통해 MIT 헤이스택 관측소와 막스 플랑크 전파 천문학 연구소로 운송된다. সেখানে 데이터는 상관 관계를 거쳐 네트워크를 통해 연결된 약 800개의 중앙 처리 장치로 구성된 그리드 컴퓨팅에서 분석된다.^[22]

COVID-19 범유행, 기상 패턴, 천체 역학으로 인해 2020년 관측 캠페인은 2021년 3월로 연기되었다.^[23]

3. 주요 관측 결과

EHT는 블랙홀의 직접적인 이미지를 촬영하여, 일반 상대성 이론의 예측을 검증하고 블랙홀의 질량, 크기, 회전 등 물리적 특성을 측정하는 데 기여했다. 주요 관측 결과는 다음과 같다.

2019년 4월 10일 13시 (UTC) 미국 (워싱턴 D.C.), 일본 (도쿄), 벨기에 (브뤼셀), 칠레 (산티아고), 중국 (상하이), 대만 (타이베이)에서 동시 기자 회견을 통해 인류 역사상 최초^[61]로 M87 중심의 거대 블랙홀 이미지가 공개되었다. 이 관측으로 초거대 질량 블랙홀 사건의 지평선 주변 광자구와 블랙홀 섀도가 직접 확인되었다. 블랙홀 섀도의 크기는 1000억km, 사건의 지평선 직경은 400억km로 추정된다.^[62]

2022년 5월 12일 세계 동시 기자 회견을 통해 M87에 이어 관측 사상 두 번째로 궁수자리 A*에 있는 초거대 질량 블랙홀의 블랙홀 섀도 직접 관측에 성공했다고 발표했다.^[63]

3. 1. 메시에 87* (M87*)

2019년 4월 10일, 사상수평선망원경(EHT) 협력단은 전 세계 6곳에서 동시 기자회견을 열고 메시에 87 은하 중심의 초대질량 블랙홀 M87*의 첫 관측 이미지를 공개했다.^[24]^[25]^[26] 이는 인류 최초의 블랙홀 직접 촬영 사례로,^[61] ''천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)''에 6편의 논문으로 발표되었다.^[29] 관측 결과 M87*는 시계 방향으로 회전하고 있었으며(6σ 영역에서 확인),^[30] 이는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 극한 환경에서 검증하는 중요한 자료가 되었다.^[16]^[19]

이전까지 일반 상대성 이론은 별과 가스 구름의 움직임을 통해 검증되었지만, 블랙홀 이미지는 사건의 지평선에 훨씬 더 가까운 관측을 제공하여 이론 검증의 정밀도를 높였다.^[31] 일반 상대성 이론은 중력에 의한 빛의 굴절과 포획으로 어두운 그림자 영역이 나타날 것이라고 예측했는데,^[5]^[6] 이는 관측 이미지와 일치했다.^[32] EHT 이사회 멤버 폴 T.P. 호는 "관측 이미지가 왜곡된 공간, 과열된 물질, 강한 자기장 등의 물리학을 포함하는 광범위한 컴퓨터 모델과 놀랍도록 잘 일치한다"고 설명했다.^[29]

새로운 이미지를 통해 M87*의 질량( )과 사건의 지평선 직경(약 40e9km)을 측정했는데, 이는 이미지 중앙 그림자보다 약 2.5배 작다.^[29]^[31] 이전 관측에서 M87의 천체물리학 제트는 관측 시선에서 17° 기울어져 있고, 하늘 평면에 -72° 위치각으로 정렬되어 있었다.^[2]^[33] EHT는 제트 방출의 상대론적 빔 현상으로 링 남쪽이 더 밝게 보이는 것을 통해 블랙홀이 시계 방향으로 회전한다고 결론지었다.^[2]^[34] 시뮬레이션 결과, 블랜드포드-자넥 과정으로 최소 10⁴² erg/s의 제트 동력을 갖는 블랙홀 스핀이 0인 경우를 제외하면 순행 및 역행 내부 디스크 회전이 모두 가능했다.^[2]^[35]

이미지 생성에는 얀 호그봄의 CLEAN (알고리즘),^[37] 캐서린 보먼 등의 CHIRP (알고리즘)^[36]^[39] 등 천문학 영상 처리 방법이 사용되었고, 최종적으로 정규화된 최대 우도 (RML)^[40] 알고리즘과 CLEAN 알고리즘이 사용되었다.^[36]

2020년 3월, 링의 더 많은 부분을 볼 수 있는 개선된 방법이 제안되었고,^[41]^[42] 2021년 3월에는 M87 블랙홀의 편광 이미지가 공개되어 블랙홀 가장자리 부근의 자기장 편광 방향을 최초로 측정했다.^[43] 2022년 8월, 워털루 대학교 에이버리 브로데릭 연구팀은 EHT 데이터를 "재구성"한 이미지를 공개하며 M87* 주변 광자 링을 통해 블랙홀 중력의 기본 특징을 해결했다고 주장했지만,^[44]^[45] 이후 반박되었다.^[46] 2023년, EHT는 2017년 데이터를 PRIMO 알고리즘으로 재구성한 더 선명한 M87 블랙홀 이미지를 공개했다.^[47]

2019년 4월 10일 13시 (UTC), 미국 (워싱턴 D.C.), 일본 (도쿄), 벨기에 (브뤼셀), 칠레 (산티아고), 중국 (상하이), 대만 (타이베이)에서 동시 기자회견이 열려 M87 중심 블랙홀 이미지가 공개되었다.^[61] 이 관측으로 초거대 질량 블랙홀 사건의 지평선 주변 광자구와 블랙홀 섀도가 확인되었다. 블랙홀 섀도는 1000억km, 사건의 지평선 직경은 400억km로 추정된다. 촬영에는 ALMA를 중심으로 북아메리카 대륙, 스페인, 하와이 망원경 7대가 사용되었다.^[62] 2019년 발표 후, 세계 각국 연구팀이 EHT 데이터를 재분석하여 링 모양 이미지를 얻고 있다. 2022년 6월, 국립천문대 미요시 신스케 조교 연구 그룹은 "링 구조 해석은 오류"라는 연구 결과를 천체물리학 저널에 발표했지만, EHT 팀은 잘못된 이해라고 반박했다.

2020년, '사상 최초의 블랙홀 촬영'으로 제51회 성운상 자유 부문을 수상했다.

3. 2. 3C 279

EHT가 3C 279의 초거대 블랙홀을 둘러싼 AGN 코어까지의 상대론적 제트의 모습을 보여주는 이미지.

2020년 4월, EHT는 2017년 4월에 관측한 전형적인 블레이자 3C 279의 20 마이크로각초 해상도 이미지를 최초로 공개했다.^[48] 이 이미지들은 관찰자 평면에 투영된 제트의 밝은 부분을 보여주며, 최대 20c 속도의 겉보기 초광속 운동을 나타냈다.^[49] 이러한 겉보기 초광속 운동은 접근하는 제트와 같은 상대론적 방출체에서 발생한다. 제트가 시선과 작은 각도를 이루며 빛의 속도에 가깝게 전파될 때, 관찰자에 더 가까운 지점(제트를 따라 하류)에서 발생한 방출이 관찰자로부터 더 먼 지점(제트 기저)에서 발생한 방출을 따라잡으면서 설명된다.

3. 3. 센타우루스자리 A

2021년 7월, 센타우루스자리 A 중심에 있는 초대질량 블랙홀이 생성하는 제트의 고해상도 이미지가 공개되었다. 이 블랙홀의 질량은 태양 질량의 약 5500만 배()이다. M87*의 EHT 이미지에서처럼 광자 구를 관측하기에는 충분히 크지 않지만, 제트는 숙주 은하 너머까지 뻗어나가면서 고도로 정렬된 빔으로 유지되어 연구 대상이 되고 있다. 또한 제트의 가장자리 밝기 현상이 관찰되었는데, 이는 이러한 효과를 재현할 수 없는 입자 가속 모델을 배제한다. 이 이미지는 이전 관측보다 16배 더 선명하며 1.3mm 파장을 사용했다.^[50]^[51]^[52]

3. 4. 궁수자리 A* (Sgr A*)

2022년 5월 12일, EHT 협력단은 우리 은하의 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 궁수자리 A*의 이미지를 공개했다. 이 블랙홀은 지구로부터 27,000 광년 떨어져 있으며, M87*보다 수천 배 작다. EHT 과학 위원회 공동 의장인 세라 마코프는 "우리는 완전히 다른 유형의 은하와 매우 다른 블랙홀 질량을 가지고 있지만, 이 블랙홀의 가장자리 근처에서는 놀랍도록 유사해 보입니다. 이것은 일반 상대성 이론이 이 객체를 가까이에서 지배하고 있으며, 더 멀리서 보이는 차이점은 블랙홀을 둘러싼 물질의 차이 때문일 것입니다."라고 말했다.^[53]

2024년 3월 22일, EHT 협력단은 편광된 빛으로 촬영된 궁수자리 A*의 이미지를 공개했다.^[54]

3. 5. J1924-2914

^[55]^[56]

2022년 8월, 사상수평선망원경은 전파간섭계 및 초장거리 기선 배열과 함께 멀리 떨어진 블레이저 J1924-2914를 촬영했다. 이들은 각각 230GHz, 86GHz, 2.3+8.7GHz에서 작동하여 퀘이사의 편광 방출에 대한 역대 최고 각 분해능 이미지를 얻었다. 관측 결과 나선형으로 굽어진 제트가 드러났으며, 그 방출의 편광은 토로이드 자기장 구조를 시사한다. 이 천체는 강한 광학적 변동성과 편광을 공유하며, 궁수자리 A*의 보정체로 사용된다.^[55]^[56]

3. 6. NRAO 530

사상수평선망원경(EHT)은 2023년 2월 퀘이사 NRAO 530의 고해상도 이미지를 공개했다. NRAO 530(1730-130, J1733-1304)은 밝은 감마선 블레이자에 속하며, 전체 전자기 스펙트럼에서 상당한 변동성을 보이는 평탄 스펙트럼 전파 퀘이사(FSRQ)이다.^[57] NRAO 530은 2017년 4월 5~7일에 사상수평선망원경으로 관측되었는데, 이때 궁수자리 A*의 EHT 관측을 위한 보정기로 사용되었다. z = 0.902에서, 이것은 EHT에 의해 이미징된 가장 멀리 떨어진 천체이다.^[57]

연구팀은 230 GHz에서 총 강도와 선형 편광(LP) 모두에서 ~20 μas의 각 해상도로 이 천체의 첫 번째 이미지를 재구성했다. 이미지는 제트의 남쪽 끝에 위치한 밝은 특징을 드러냈으며, 이는 코어와 연관되었다. 이 특징은 선형 편광되었으며, 분수 편광은 ~5%–8%이고, 두 개의 구성 요소로 구성된 하위 구조를 가지고 있다. 관측된 밝기 온도는 제트의 에너지 밀도가 자기장에 의해 지배된다는 것을 시사한다. 제트는 위치각 ~ −28°를 따라 60 μas 이상 뻗어 있다. 여기에는 제트 축에 평행하고 수직인 편광 방향(전기 벡터 위치각)이 직교하는 두 개의 특징이 포함되어 있으며, 제트의 나선형 자기장 구조와 일치한다. 가장 바깥쪽 특징은 특히 높은 LP 정도를 가지고 있으며, 이는 거의 균일한 자기장을 시사한다.^[57]

NRAO 530, EHT 관측. 전체 강도는 흑백으로 표시되며, 검은색 윤곽선은 최대 선형 편광 강도의 10%, 25%, 50%, 75%를 나타낸다. 검은색 점선 윤곽선은 최대 편광 강도의 25%, 50%, 75%를 나타낸다.

NRAO 530의 EHT 기준 이미지에서 전체 강도와 LP 성분의 개략도; 흰색 윤곽선은 전체 강도 수준을 나타내며, 색상 척도와 시안색 윤곽선은 방법 평균 이미지의 편광 강도를 나타낸다.

4. 참여 기관

EHT는 전 세계 여러 전파 망원경을 결합하여 매우 높은 감도와 해상도를 실현하는 국제 협력 프로젝트이다. 초장기선 전파 간섭계(VLBI) 기술을 이용하여 수천 킬로미터 떨어진 전파 망원경들을 연결, 지구 크기의 가상 전파 망원경을 구성한다.^[16]

2019년 현재, EHT 평의회에 대표자를 파견하는 기관은 13개이다. 그 외에도 EHT 협력에 개인 자격으로 참가하는 연구자를 포함하면 76개 기관, 206명의 연구자가 참여하고 있다.^[58]

EHT 협력에 참여하는 13개 기관은 다음과 같다:

기관명	위치
중앙연구원 천문 및 천체물리연구소	中央研究院天文及天文物理研究所\|중앙연구원 천문 및 천체물리연구소^중국어
애리조나 대학교	University of Arizona\|애리조나 대학교^영어
시카고 대학교	University of Chicago\|시카고 대학교^영어
동아시아 천문대	East Asian Observatory\|동아시아 천문대^영어
괴테 대학교 프랑크푸르트	Goethe-Universität Frankfurt am Main\|괴테 대학교 프랑크푸르트^de
스미소니언 천체물리 관측소	Smithsonian Astrophysical Observatory\|스미소니언 천체물리 관측소^영어
밀리미터파 전파 천문학 연구소 (IRAM)	Institut de radioastronomie millimétrique\|밀리미터파 전파 천문학 연구소^프랑스어
대형 밀리미터파 망원경 알폰소 세라노	Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano\|대형 밀리미터파 망원경 알폰소 세라노^es
막스 플랑크 전파 천문학 연구소	Max-Planck-Institut für Radioastronomie\|막스 플랑크 전파 천문학 연구소^de
매사추세츠 공과대학교 헤이스택 천문대	MIT Haystack Observatory\|매사추세츠 공과대학교 헤이스택 천문대^영어
국립 천문대 (일본)	国立天文台\|국립 천문대^일본어
이론 물리학 주변 연구소	Perimeter Institute for Theoretical Physics\|이론 물리학 주변 연구소^영어
라드바우드 대학교	Radboud Universiteit\|라드바우드 대학교^nl

5. 연구 지원

EHT는 여러 기관으로부터 연구비를 지원받고 있다.^[59]

기관명
국립 과학 재단(United States National Science Foundation)
유럽 연구 위원회(European Research Council)
대만 과학기술부
막스 플랑크 협회(Max-Planck-Gesellschaft)
멕시코 국립 과학 기술 위원회(Consejo Nacional de Ciencia y Technologia, Mexico)
존 템플턴 재단(John Templeton Foundation)
고든 앤 베티 무어 재단(Gordon and Betty Moore Foundation)
일본 학술 진흥회(Japan Society for the Promotion of Science)
캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada)
중앙 연구원(Academia Sinica)
스미소니언 협회(Smithsonian Institution)

또한, 웨스턴 디지털(Western Digital)과 자일링스(Xilinx)는 산업 기부자로 참여하고 있다.^[60]

참조

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_[2] 논문 First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole 2019-04-10
_[3] 논문 Black holes. Edited by C. DeWitt and B. S. DeWitt 1973
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_[5] 논문 Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center 2000-01-01
_[6] 논문 Imaging optically-thin hotspots near the black hole horizon of Sgr A* at radio and near-infrared wavelengths 2006-04-11
_[7] 논문 Intense sub-arcsecond structure in the galactic center 1974-12-01
_[8] 논문 Event-horizon-scale structure in the supermassive black hole candidate at the Galactic Centre 2008-09-04
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