과학자들은 아인슈타인이 100년 전에 예측했지만 지금까지 직접적으로 관찰되지 않았던 현상인 시공간 소용돌이에 대한 명확한 증거를 처음으로 포착했습니다. 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 발표된 이 연구는 블랙홀이 시공간 구조 자체를 왜곡하여 주변 물질을 흔들리게 만들 수 있음을 보여줍니다.
이 효과는 Reims-Teering 세차운동 또는 프레임 드래그로 알려져 있습니다. 이 현상은 빠르게 회전하는 블랙홀이 주변 시공간을 끌어당길 때 발생합니다. 마치 회전하는 팽이가 물 속에서 소용돌이를 만드는 것과 같습니다. 이 현상은 중력을 단순한 당김이 아닌 질량과 에너지에 의해 발생하는 시공간 곡률로 설명하는 아인슈타인의 상대성 이론에서 비롯됩니다.
중국 국립천문대가 주도하고 카디프 대학이 지원하는 연구팀은 AT2020afhd라는 조수 붕괴 현상을 연구했습니다. 조석 붕괴는 별이 블랙홀에 너무 가까워지고 강력한 중력으로 인해 별이 찢어질 때 발생합니다. 이 사건에서 별은 태양보다 수백만 또는 수십억 배 더 크고 일반적으로 은하의 중심에 위치한 초대질량 블랙홀에 의해 파괴되었습니다. 별의 잔해는 중력의 영향을 받아 안쪽으로 나선형으로 회전하는 매우 뜨거운 가스와 잔해로 구성된 회전 구조인 강착 원반을 형성합니다. 동시에 강력한 플라즈마 제트와 고에너지 입자가 거의 빛의 속도로 외부로 방출됩니다.
연구진은 X선과 무선 신호의 변화를 추적함으로써 강착원반과 제트가 대략 20일 주기로 함께 흔들리는 것을 발견했습니다. X선은 블랙홀 근처의 매우 뜨거운 물질에서 생성되는 고에너지 전자기 방사선인 반면, 무선 신호는 천문학자들이 제트, 자기장 및 고에너지 입자를 연구하기 위해 사용하는 장파 방사선입니다. 이 동기화된 동작은 이론이 예측하는 것과 정확히 일치하지만 이전에는 이렇게 자세히 확인된 적이 없습니다.
공동 저자인 카디프 대학의 Cosimo Incella 박사는 이번 연구가 팽이가 주변 물을 끌어 소용돌이를 형성하는 것과 같은 방식으로 블랙홀이 시공간을 끌어당기는 랭스-티링 세차운동에 대한 가장 설득력 있는 증거를 보여준다고 설명했습니다.
이 연구는 중요한 과학적 맥락을 추가합니다. 이론과 시뮬레이션에서는 블랙홀 근처 시공간의 극심한 곡률이 빛과 물질의 경로를 구부려 강력한 상대론적 힘의 영향으로 강착 원반과 제트 세차 효과를 생성한다는 사실을 오랫동안 보여왔습니다. 이러한 효과는 중력이 강하거나 물질이 빛의 속도에 가깝게 이동할 때 중요해집니다. 이번 사건이 특히 눈에 띄는 것은 명확한 관찰 증거이다. 연구팀은 X선과 무선 신호의 19.6일 준주기적 변화를 보고했는데, 이는 X선 진폭이 정상보다 10배 이상 강한 반복적이지만 완전히 규칙적이지는 않은 주기입니다. 거의 동시적인 변화는 두 방사선 생성 영역을 모두 제어하는 공통 메커니즘을 나타냅니다.
강착 디스크 제트 랜스 티어링 세차 운동 모델은 이러한 변화를 재현할 수 있었고 데이터는 관련된 블랙홀이 낮은 회전 유형이라는 것을 보여주었습니다. 이는 많은 상대론적 모델에서 예측한 빠르게 회전하는 블랙홀보다 더 천천히 회전하고 있음을 의미합니다. 이 연구는 또한 이전에 볼 수 없었던 현상인 조수 붕괴 사건 동안 단기적인 전파 변화를 발견했습니다. 연구원들은 이것이 짧은 시간 간격으로 관찰이 자주 반복되는 고주파 무선 모니터링의 중요성을 강조하며, 이를 통해 블랙홀이 주변 환경을 어떻게 형성하는지에 대해 더 많은 정보를 밝힐 수 있다고 말합니다.
이 발견은 1913년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 내놓은 예측을 확증했고 이후 1918년 조셉 랜스와 한스 티링(Hans Thiering)이 수학적으로 정의했습니다. 이는 블랙홀 회전, 물질이 어떻게 거대한 물체로 떨어지고 에너지를 방출하는지 연구하는 강착 물리학, 그리고 회전하는 물질과 자기장이 고에너지 플라즈마의 좁은 흐름을 우주로 발사하는 과정인 제트 형성을 연구하는 새로운 길을 열었습니다. 과학자들에게는 우주에서 가장 극단적인 물체 중 하나에 의해 시공간 자체가 어떻게 왜곡되는지 관찰하는 것은 드문 기회입니다.