초대질량 블랙홀의 회전 검증 – 아인슈타인의 일반상대성이론이 빛난다

갤럭시 M87 블랙홀 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 예측과 일치하는 20년 간의 연구 결과에 따르면, 회전을 확인하는 진동 제트를 보여줍니다.

지구로부터 5500만 광년 떨어진 곳에 위치한 인근 전파은하 M87은 태양보다 65억 배 큰 블랙홀을 품고 있으며, 약 10도의 진폭으로 상하로 진동하는 진동 흐름을 보여 흑색의 존재를 확인시켜준다. 구멍. 랩.

중국 연구원 Yuzhou Cui 박사가 이끄는 이 연구는 자연 9월 27일에는 전파 망원경의 글로벌 네트워크를 사용하는 국제 팀에 의해 수행되었습니다.

연구팀은 2000년부터 2022년까지 망원경 데이터를 광범위하게 분석해 아인슈타인의 일반상대성이론이 예측한 대로 제트기저면의 세차운동이 11년 주기로 반복된다는 사실을 밝혀냈다. 이 연구는 흐름 역학을 중심 초대질량 블랙홀과 연결하여 M87의 블랙홀이 회전하고 있다는 증거를 제공합니다.

초거대 블랙홀 현상

우리 우주에서 가장 불안정한 천체인 활동은하의 중심에 있는 초대질량 블랙홀은 엄청난 중력과 중력으로 인해 엄청난 양의 물질을 축적할 수 있습니다. 혈장 제트라고 알려진 유출은 빛의 속도에 접근하고 수천 광년에 걸쳐 확장됩니다.

초대질량 블랙홀과 그 강착원반, 상대론적 제트 사이의 에너지 전달 메커니즘은 100년 넘게 물리학자와 천문학자들을 혼란스럽게 했습니다. 지배적인 이론은 회전하는 블랙홀에서 에너지가 추출될 수 있으며, 이로 인해 초거대 블랙홀 주변의 물질 중 일부가 상당한 에너지를 방출할 수 있다고 제안합니다. 그러나 이 과정에서 결정적인 요소이자 블랙홀 질량 이외의 가장 중요한 매개변수인 초대질량 블랙홀의 회전은 직접적으로 관찰된 적이 없다.

상단 패널: 2013년부터 2018년까지 관찰된 반기별 누적 데이터를 기반으로 한 43GHz의 M87 제트 구조. 흰색 화살표는 각 하위 플롯의 제트 위치 각도를 나타냅니다. 하단 패널: 2000년부터 2022년까지 매년 누적된 이미지를 기반으로 가장 잘 맞는 결과. 녹색 점과 파란색 점은 각각 22GHz와 43GHz의 관측에서 얻은 것입니다. 빨간색 선은 이니셔티브 모델에 따라 가장 적합한 것을 나타냅니다. 출처: Yuzhou Cui 외, 2023

M87에 집중하세요

이번 연구에서 연구팀은 1918년 최초로 관측 천체물리학적 제트가 관측된 M87에 초점을 맞췄다. 근접성 덕분에 블랙홀 근처의 제트 형성 영역은 매우 긴 베이스라인 간섭계(VLBI)를 사용하여 자세하게 확인할 수 있다. 이는 또한 EHT(Event Horizon Telescope)를 사용하여 현대 블랙홀의 그림자를 이미징함으로써 표현됩니다. 연구팀은 지난 23년 동안 획득한 M87의 VLBI 데이터를 분석하여 베이스에서 주기적인 전구체 제트를 감지하여 중앙 블랙홀의 상태에 대한 통찰력을 제공했습니다.

블랙홀 역학 및 상대성 이론

이 발견의 핵심에는 다음과 같은 중요한 질문이 있습니다. 우주의 어떤 힘이 그러한 강력한 제트의 방향을 바꿀 수 있습니까? 그 답은 중심 초대질량 블랙홀과 관련된 형성물인 강착원반의 거동에 숨겨져 있을 수 있습니다.

떨어지는 물질은 각운동량으로 인해 블랙홀 주위를 공전하면서 원반과 같은 구조를 형성한 후 점차 안쪽으로 나선형으로 돌다가 운명적으로 블랙홀 안으로 빨려들어갑니다. 그러나 블랙홀이 회전하면 주변 시공간에 큰 영향을 미쳐 주변 물체가 회전축을 따라 끌려가게 되는데, 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 ‘프레임 드래그’ 현상이다. .

연구팀의 종합 분석 결과, 강착원반의 회전축이 블랙홀의 회전축에서 벗어나 프리제트 현상이 일어나는 것으로 나타났다. 이 움직임의 감지는 M87의 초대질량 블랙홀이 실제로 회전하고 있다는 명확한 증거를 제공하여 초대질량 블랙홀의 본질에 대한 이해를 향상시킵니다.

항저우의 연구 기관인 저장 연구소(Zhejiang Laboratory)의 박사후 연구원이자 이번 연구의 주 저자인 Yuzhou Cui는 “우리는 이 중요한 결과에 만족합니다.”라고 말했습니다. “블랙홀과 원반 사이의 정렬 불량이 상대적으로 작고 세차 주기가 약 11년이기 때문에, 이러한 돌파구를 얻기 위해서는 20년에 걸쳐 M87의 구조를 추적하는 고해상도 데이터 수집과 종합적인 분석이 필요합니다.”

일본 국립 천문대(National Astronomical Observatory)의 하다 가즈히로(Kazuhiro Hada) 박사는 “EHT를 사용하여 이 은하계의 블랙홀을 성공적으로 이미징한 후, 이 블랙홀이 회전하는지 여부는 과학자들 사이에서 주요 관심사가 되었습니다.”라고 덧붙였습니다. “이제 기대는 확신으로 바뀌었습니다. 이 괴물 같은 블랙홀은 이미 회전하고 있습니다.”

미래의 기여와 시사점

이 작업은 EAVN(East Asia VLBI Network), VLBA(Very Long Baseline Array), KVN 및 VERA(KaVA)의 Joint Array 및 전 세계 동아시아에서 이탈리아까지 수집한 총 170개 시대의 관측 자료를 활용했습니다. (먹는) 네트워크. 전체적으로 전 세계에서 20개 이상의 망원경이 이 연구에 기여했습니다.

거대한 접시와 밀리미터 파장에 대한 높은 감도를 갖춘 중국의 65m 길이의 Tianma 전파 망원경을 포함하여 중국의 전파 망원경도 이 프로젝트에 기여했습니다. 또한 신장의 26미터 전파 망원경은 EAVN 관측의 각도 분해능을 향상시킵니다. 이러한 성과를 얻으려면 높은 감도와 높은 각도 분해능을 갖춘 고품질 데이터가 필수적입니다.

“상하이 천문대의 40미터 Shigatse 전파 망원경은 EAVN의 밀리미터 이미징 능력을 향상시킬 것입니다. 특히 망원경이 위치한 티베트 고원은 (밀리미터 미만) 파장 관측에 가장 좋은 현장 조건 중 하나를 갖추고 있습니다. 중국과학원 상하이 천문대 원장인 Zhiqiang Chen 교수는 “국내 천문 관측 시설을 강화하려는 우리의 기대에 부응한다”고 말했다.

이 연구는 초대질량 블랙홀의 신비한 세계를 밝히는 동시에 엄청난 과제도 제시합니다. 강착원반의 구조와 M87 초대질량 블랙홀의 정확한 회전은 여전히 ​​대부분 불확실합니다. 이 연구는 또한 이러한 구성을 가진 더 많은 소스가 있을 것이라고 예측하여 과학자들이 발견하기 어려운 과제를 제시합니다.

참고: “M87의 회전하는 블랙홀에 연결되는 제트 노즐” Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Yunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang , Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, 정태현, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, 오정완, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, 손봉원, Hiroyuki R 다카하시, 다카무라 미코, 다자키 후미, 사샤 트립, 와지마 기요아키, 아키야마 카즈노리, 타오 안, 아사다 케이이치, 살바토레 보타치오, 도영변, 랑구이, 하기와라 요시아키, 히로타 토모야, 제프리 호지슨, 가와구치 노리유키, 재영 김, 이상송, 이지원, 이정이, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, 오시진, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, 황조윤, 정동규, 김허령, 김정숙, 고바야시 히데유키, 리빈, 리광웨이, 리샤오페이, 류시옹, 류칭휘, 류샹, 오충식, 아오야마 토모아키, 루오공, 왕진칭, 나 Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao 및 Yi Zhong, 2023년 9월 27일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-023-06479-6