블랙홀 가까이에서: 인터랙티브 모델

블랙홀 가까이를 지나는 빛은 중력 때문에 휘어요. 이 모델은 화면의 모든 점에 대해, 눈에서 출발한 빛줄기를 거꾸로 따라가 블랙홀을 지나 그 빛이 어디서 시작했는지 찾아요. 블랙홀 주위를 도는 뜨거운 기체의 얇은 원반일 수도 있고, 그 뒤 먼 곳의 별일 수도 있고, 빛줄기가 빨려 들어가는 경우에는 어디에도 없어요.

보이는 모습

• 그림자 — 빛줄기가 블랙홀 안에서 끝나는 어두운 가운데 부분이에요. 폭은 사건의 지평선(아무것도 빠져나올 수 없는 경계)의 2.6배예요.
• 원반의 위쪽과 아래쪽 먼 면 — 블랙홀 뒤쪽 원반에서 온 빛은 블랙홀을 돌아 휘어져요. 위쪽으로는 먼 쪽 원반의 윗면이, 아래쪽으로는 아랫면이 보여요.
• 광자 고리 — 그림자 가장자리의 얇고 밝은 고리예요. 블랙홀을 한 바퀴 이상 돌아서 우리에게 온 빛이에요.
• 한쪽이 더 밝아요 — 안쪽 가장자리 근처의 기체는 빛 속도의 절반으로 움직여요. 다가오는 쪽에서는 빛이 더 밝고 푸르고, 멀어지는 쪽에서는 더 어둡고 붉어요(도플러 효과).
• 더 어둡고 붉은 가운데 — 블랙홀의 중력을 거슬러 올라오는 빛은 에너지를 잃어요(중력 적색편이).
• 안쪽 가장자리 — 기체는 지평선 반지름의 세 배보다 가까이서는 돌 수 없어요. 그 안쪽에서는 한 바퀴 도는 사이에 빨려 들어가 빛을 거의 내지 않아요.

계산 방법

각 빛줄기는 회전하지 않는 블랙홀 주변에서 빛이 지나는 정확한 경로를 따라가요. 아인슈타인의 일반 상대성 이론(슈바르츠실트 해)에서 나온 경로예요. 원반은 노비코프와 손이 설명한 얇은 원반이에요. 중심에서 각 거리의 온도는 그들의 공식으로 구하며, 지평선 반지름의 약 4.8배 지점에서 가장 뜨거워요. 각 점의 색은 그 온도에서 기체가 내는 빛이고, 도플러 효과와 중력으로 색이 이동해요. 기체의 각 고리는 저마다의 궤도 속도로 돌아요. 시계는 멀리 있는 관측자의 시간을 보여 주고, 원반의 부분마다 빛이 우리에게 오는 데 걸리는 시간이 달라요.

블랙홀은 질량이 얼마든 똑같이 보여요. 무거운 블랙홀은 그저 더 크고 더 느릴 뿐이에요. 그래서 궁수자리 A*와 M87*는 같은 그림이 돼요. 카드에서 크기와 시간을 비교해 보세요.

단순화한 부분

• 블랙홀은 회전하지 않아요. 궁수자리 A*와 M87*가 얼마나 빠르게 도는지는 정확히 측정되지 않았어요. 회전하는 블랙홀이라면 그림자가 약간 납작하고 원반이 더 안쪽까지 이어질 거예요.
• 온도는 우리가 정한 값이에요. 가장 뜨거운 곳이 약 5,000K로, 태양 표면보다 조금 낮아요. 원반이 가시광선으로 빛나도록 한 것이며, 가장 뜨거운 곳은 흰색과 노란색, 더 차가운 곳은 주황색과 빨간색이에요.
• 실제 궁수자리 A*와 M87*에는 이렇게 밝은 원반이 없어요. 기체를 거의 빨아들이지 않고, 사건의 지평선 망원경이 촬영한 것은 주변의 얇고 뜨거운 기체가 내는 전파예요. 그 영상의 밝은 고리는 같은 빛의 휘어짐에서 생겨요. 이런 원반은 퀘이사처럼 기체를 빠르게 먹어 치우는 블랙홀 주위에서 빛나며, 훨씬 더 뜨거워요.
• 원반의 줄무늬는 기체가 움직이는 것이 보이도록 만든 거예요. 기체의 각 고리는 실제 속도로 돌아요. 원반은 지평선 반지름의 14배까지 보여 주는데, 더 바깥으로는 더 차갑고 어두운 채로 계속 이어질 거예요.
• 뒤쪽의 별도 임의로 만든 것이지만, 그 빛은 똑같은 방식으로 휘어요.

출처

• 궁수자리 A*: 질량 태양의 430만 배, 거리 8,277파섹(27,000광년) — GRAVITY 협력단, “Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits”, A&A 657, L12 (2022). 고리 51.8 ± 2.3 마이크로초각 — 사건 지평선 망원경 협력단, ApJL 930, L12 (2022).
• M87*: 질량 태양의 65 ± 7억 배, 거리 16.8메가파섹(5,500만 광년), 고리 42 ± 3 마이크로초각 — 사건 지평선 망원경 협력단, “First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole”, ApJL 875, L1 (2019).
• 원반: I. D. Novikov & K. S. Thorne, Black Holes(Les Houches, 1973); D. N. Page & K. S. Thorne, “Disk-Accretion onto a Black Hole. I. Time-Averaged Structure of Accretion Disk”, ApJ 191, 499 (1974).
• 빛나는 기체의 색: CIE 1931 등색 함수, C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirley의 근사식, JCGT 2(2), 1 (2013).