M87 블랙홀 가장자리, 전자 온도 기존 예측과 달랐다…초고정밀 시뮬레이션 결과

2019년, 인류는 사상 처음으로 블랙홀의 실루엣을 영상으로 포착했다. 도넛 형태의 고리 안 어두운 중심은 은하 M87 중심부 초대질량 블랙홀의 그림자였다. 이후 과학자들은 이 극한 영역의 물리 현상을 이해하기 위해 고정밀 시뮬레이션에 집중해 왔다.

미국 프린스턴대학교 연구팀은 최근 슈퍼컴퓨터 기반 자기유체역학 시뮬레이션을 통해, M87 블랙홀 주변 플라즈마에서 전자 온도가 기존 예측보다 훨씬 낮을 수 있다는 결과를 발표했다. 이 연구는 2025년 2월 왕립천문학회 월간지(MNRAS)에 게재됐다.

전자 100배 낮은 온도, 이론의 기준선 바꿔

기존 시뮬레이션은 전자와 양성자를 하나의 유체처럼 간주해 평균 온도로 계산해 왔다. 하지만 이번 연구에서는 두 입자를 분리하고, 각기 다른 온도와 상호작용을 독립적으로 계산했다. 그 결과, 블랙홀 근처 플라즈마에서 전자의 온도는 양성자보다 약 100배 낮은 것으로 나타났다.

이 수치는 전자와 양성자의 온도는 대체로 비슷하다는 기존 가정을 정면에서 뒤집는 결과다. 동시에 2019년 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)으로 관측된 M87 블랙홀 이미지의 낮은 편광도와도 정합성을 보인다. 연구진은 이번 결과가 플라즈마 물리 모델의 기초 가정을 다시 검토해야 할 근거라고 밝혔다.

너무 차가운 전…제트 발사 모델도 흔들

전자 온도는 블랙홀의 제트 방출 모델에도 직접적인 영향을 미친다. M87 블랙홀은 수천 광년 거리까지 고에너지 입자를 분사하는 제트를 내뿜는 천체로, 플라즈마와 자기장, 강한 중력이 얽혀 만들어지는 복합 구조다. 전자 온도가 지나치게 낮을 경우, 제트의 에너지 구조와 방출 조건 해석에 오차가 생긴다.

이를 검증하기 위해 연구진은 텍사스 첨단컴퓨팅센터(TACC)의 Stampede2, Stampede3, Frontera 슈퍼컴퓨터를 활용해 다양한 블랙홀 회전 조건을 반영한 총 11개의 일반상대론 자기유체역학(GRMHD) 시뮬레이션을 수행했다.

시간 속에서 변하는 블랙홀의 얼굴

이번 연구는 블랙홀 외형이 시간에 따라 변화한다는 점도 함께 분석했다. EHT의 장기 관측 데이터를 비교한 결과, 블랙홀 그림자의 전체 윤곽과 크기는 일정했지만, 고리 내부의 밝기 분포와 최댓값의 위치는 해마다 미세하게 이동했다. 이는 사건의 지평선 근처에서 일어나는 플라즈마의 난류 흐름과 열적 불균형이 블랙홀 외양에 지속적으로 영향을 미치고 있음을 의미한다.

연구진은 이러한 변화를 바탕으로 정적인 이미지가 아닌, 시간 축을 따라 진화하는 블랙홀 외양을 영상화하는 장기 프로젝트도 추진하고 있다.

전자 온도는 블랙홀 이미지의 밝기, 방출 스펙트럼, 편광, 제트 형성까지 결정하는 핵심 변수다. 이 변수의 값이 기존 예측보다 훨씬 낮다는 점은, 블랙홀을 둘러싼 플라즈마 해석 전체를 다시 짜야 할 가능성을 제기한다.

EHT가 제공한 최초의 블랙홀 이미지는 우주의 극한 구조를 가시화한 시각적 상징이었다면, 이번 연구는 그 이미지를 어떻게 읽고 해석할 것인지에 대한 이론적 기준을 다시 쓰는 작업이라 할 수 있다. 블랙홀은 여전히 보이지 않는 것이 많지만, 그 경계를 어떤 물리 이론으로 바라보느냐에 따라 우리 눈앞에 보이는 세계도 달라질 수 있음을 이번 결과는 분명하게 보여준다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 문: Andrew Chael, Survey of radiative, two-temperature magnetically arrested simulations of the black hole M87* I: turbulent electron heating, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: 10.1093/mnras/staf200

자료: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society