플라스마
독일 막스플랑크 핵물질입니다. 이연구소와 헬름홀츠 베를린센터 연구진은 베를린 동시 가속기(BSSYⅡ)를 이용해 블랙홀 주변의 플라즈마를 만드는 데 성공했습니다. 이 연구를 통해 그동안 우주에서만 인공위성이 수행하던 천문물리학 실험을 지상에서도 할 수 있게 돼 많은 천문물리학 난제가 해결될 것으로 기대됩니다. 블랙홀은 중력이 매우 커서 모든 물질을 흡착합니다. 블랙홀에 들어가면 그 어떤 것도 블랙홀 경계에서 빠져나갈 수 없습니다. 흡입된 물체의 온도가 계속 높아지면서 핵과 전자가 분리되는 고온의 플라즈마를 발생시킵니다.
블랙홀 흡착물질은 방사선 X선을 발생시킵니다. 방사선, X선은 반대로 그 속의 대량의 화학 원소를 자극하여 독특한 선(색)을 가진 X선을 방출합니다. 이 라인들을 분석하면 과학자들이 블랙홀 인근 플라즈마에 대한 밀도와 속도, 구성 성분 등에 대한 정보를 더 많이 알 수 있도록 도와줄 수 있습니다.
이 과정에서, 단단히 일어서게 되었습니다. 아주 중요한 역할입니다. 비록 철의 우주 내 매장량은 수소와 헬륨이 가벼운 것보다는 풍부하지 않지만 X선을 더 잘 흡수하고 재발사할 수 있기 때문에 더 가벼운 원자에서 나오는 광자보다 더 높은 에너지와 짧은 파장(색깔을 가지게 하는 것)을 가지고 있습니다.
철이 발사한 X선이 뚫고 있습니다. 블랙홀 주변의 매질을 건널 때도 흡수됩니다. 이른바 광리화 과정에서 철원자는 보통 몇 차례 전리를 겪는데, 26개 전자의 절반이 넘게 제거돼 대전 이온이 생기고 대전 이온이 모여 플라즈마를 이루게 되는데, 연구진은 이를 실험실에서 재현할 수 있었습니다.
실험의 핵심은 막스플입니다. 랑크 핵물리연구소가 설계한 전자빔 이온웰입니다. 이 이온 우물에서 철 원자는 강력한 전자빔을 통해 가열되어 14회 이온화됩니다. 실험 과정은 철 이온 한 덩어리(단 몇 센티미터 길이로 머리카락 굵기)가 자기장과 전기장의 작용으로 하나의 초고진공 안에 매달려 있고, 동기 가속기에서 나오는 X선의 광자 에너지는 정확성이 높은 '단색기'에 의해 가려져 얇지만 집중된 빛으로 철 이온에 가해지는 것입니다.
실험실에서 측정한 스펙트럼 선입니다. 찬드라 X선 천문대와 뉴턴 X선 다중렌즈 망원경이 관측한 결과와 일치합니다. 지상 실험실에서 인위적으로 우주에 있는 블랙홀 플라즈마를 만들어냈다는 겁니다.
이런 기발한 방법은 전기를 띨 것입니다. 이온의 이온웰과 동기 가속기 복사원이 결합되어 블랙홀 주변의 플라즈마나 활성화된 은하핵을 더 잘 알 수 있습니다. 연구진은 EBIT 분광검사경과 보다 선명한 3세대(2009년부터 독일 함부르크에서 작동하는 동시방사선원 PETRAⅢ), 4세대(X선 자유전자레이저 XFEL) 엑스선원을 결합해 이 연구분야에 신선한 활력을 줄 것으로 기대하고 있습니다.
인공 블랙홀
미국은 '인조 블랙홀'을 만들었습니다.
2005년 3월, 미국입니다'호라티 나스타시' 브라운대 물리교수가 지구상에 최초의 '인조 블랙홀'을 만들었습니다. 미국 뉴욕 브룩헤븐랩은 1998년 20세기 세계 최대 입자가속기를 건설해 금이온을 빛의 속도에 가깝게 충돌시켜 고밀도 물질을 만들었습니다. 이 블랙홀은 크기가 작지만 실제 블랙홀의 특징을 많이 가지고 있습니다. 뉴욕 브룩헤이븐 국립실험실에 있는 상대적 중이온 충돌기는 대형 원자의 핵자(금원자핵자)를 빛의 속도에 가까운 속도로 충돌시켜 태양 표면 온도의 3억 배에 달하는 열에너지를 발생시킬 수 있습니다. 나스타시는 뉴욕 브룩헤이븐에 있습니다. 실험실에서 원자 충돌 원리를 이용해 만든 이글거리는 불덩이는 천체 블랙홀의 눈에 띄는 특성을 지녔습니다. 예를 들어 불덩어리는 자기 질량의 10배에 달하는 입자를 흡수할 수 있는데, 이는 모든 양자물리학이 추정하는 입자 수보다 많습니다.
인조 블랙홀의 최초 착상 사유입니다. 캐나다 브리티시컬럼비아대학의 윌리엄 앙루 교수는 1980년대 유체에서 음파의 표현이 블랙홀에서 빛의 표현과 매우 유사하다며 유체의 속도를 초과하면 사실상 이 유체에 인공 블랙홀이 만들어졌다고 주장했습니다. 그러나 리언하트 박사가 만들려는 인공 블랙홀은 충분한 중력이 없어 빛 외에는 진짜 블랙홀처럼 '주변의 모든 것을 삼킬 수 없습니다. 그러나 나스타시 교수가 만든 인공 블랙홀은 이미 어떤 다른 물질도 흡수할 수 있습니다. 그래서 블랙홀 연구의 큰 돌기로 여겨집니다.
유럽의 인공 블랙홀
2008년 9월 10일 제1의 양성자 빔이 충돌기 전체를 관통함에 따라 유럽의 대형 강자 충돌기가 본격적으로 작동합니다.
유럽 대형 강자 충돌기는 2013년 전 세계에서 가장 크고 에너지가 높은 입자가속기는 양성자를 충돌에 가속시키는 고에너지 물리 장비로 스위스 제네바 근교 유럽 핵연구기구 CERN의 입자가속기와 충돌기에 위치하여 국제 고에너지 물리학 연구에 이용되고 있습니다. 시스템 제1책임자는 영국의 저명한 물리학자 '린 에반스'로 대형 강자 충돌기는 그가 고안해 주도적으로 만들어 '에반스 원자력'이라는 별명을 얻었습니다.
특정 항성이 생의 마지막 단계에서 폭발하면 자연계에 블랙홀이 형성됩니다. 이들은 아주 작은 공간에 많은 양의 물질을 농축합니다. 대형 강자가 충돌하는 기내에서 양성자와 충돌해 입자가 생기는 과정에서 미세한 블랙홀이 형성됐다고 가정하면 각각의 양성자가 가지고 있는 에너지는 비행 중인 모기와 맞먹을 수 있습니다. 천문학적인 블랙홀은 대형 강자가 충돌하는 기능보다 질량이 더 무겁습니다. 아인슈타인의 상대성이론이 기술한 중력 성질에 따르면 대형 강자 충돌기 내에 미세한 블랙홀이 생기는 것은 불가능합니다. 그러나 일부 순수 이론은 대형 강자 충돌기에서 이런 입자 제품이 만들어질 수 있다고 예언합니다. 이 모든 이론들은 대형을 예측합니다. 강자의 충돌로 생긴 이 입자는 바로 분해됩니다. 따라서 블랙홀은 농축된 물질을 시간이 없어 눈에 보이는 결과를 낳게 됩니다.
품질 측정
중앙과학원 국가천문대 연구입니다. 국제팀은 세계 최초로 엑스선 극명천체의 블랙홀 질량을 측정하는 데 성공했고, 이 분야에서 큰 돌파구를 마련함으로써 블랙홀과 그 주변의 극단적인 물리적 과정에 대한 인식을 증진시킬 것입니다. 이 연구성과는 2013년 11월 28일 국제저널 네이처에 발표됐습니다. 1990년대 이래 천문학자들은 먼 은하에서 엑스레이 광도가 매우 높은 천체들을 속속 발견했습니다. 이들은 사람들이 찾고 있는 중질량 블랙홀일 수도 있고, 특수 복사 메커니즘을 가진 몇 개 혹은 수십 개의 태양 질량을 가진 항성급 블랙홀일 수도 있습니다. 국제 천문·천체물리학계는 이 문제에 대해 줄곧 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 천체는 보통 수천만 광년 떨어져 있기 때문에 블랙홀 흡착 디스크에 X선이 조사되어 발생하는 빛의 오염도 매우 강하기 때문에 측정이 매우 어렵습니다.
유계봉 팀 특색 있는 팀으로 뽑아보겠습니다. 미국 하와이에 있는 8m 대형 쌍둥이 망원경과 10m 칵 망원경에 각각 20시간의 관측시간을 신청하는 데 성공한 천체 목표물은 소용돌이 은하의 X선 극광명원 M101ULX-1을 3개월 경과로 연구하여 중심 천체가 항성과 비교 가능한 질량의 블랙홀임을 확인하였습니다. 이 블랙홀에 반성을 더해 만든 블랙홀 쌍성 시스템은 2200만 광년 떨어진 곳에 위치해 인류가 지금까지 발견한 지구에서 가장 멀리 떨어진 곳에 있는 블랙홀 쌍성입니다.
2017년 12월 7일, 미국 카네기과학연구소 과학자들은 태양 질량의 8억 배에 달하는 초거대 질량 블랙홀을 발견했습니다. 지금까지 발견된 블랙홀의 질량은 수십 배가 넘는 태양질량이 드물었습니다.
