세계 과학사 최초 ‘실제 블랙홀’관측 / 케이티 보우만 (Katie Bouman) 블랙홀을 촬영하는 방법

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유럽남방천문대(ESO) 웹사이트를 통해 생중계되는 이 기자회견의 주 내용은 우리은하 중심에 있는 궁수자리 A*의 이미지를 포착하기 위한 그간의 노력에 대한 첫 결과 발표인 것으로 알려졌다.

EHT가 블랙홀의 실제 모습을 관측하는 작업을 시작한 건 2017년 4월부터다. 이후 매년 3~4월 중 약 2주의 기간을 정해 하와이에서부터 남극에 걸쳐 있는 전 세계 여러 곳의 전파망원경을 연결해 국제 공동으로 관측해왔다.

궁수자리 A* 같은 블랙홀을 관측하기 위해선 허블우주망원경보다 1000배 더 강력한 망원경이 필요하다. 이처럼 거대한 망원경을 만드는 대신 전 세계에 산재한 전파망원경을 거대한 렌즈처럼 결합한 지구 크기만한 가상 망원경을 만든 것이 바로 EHT 프로젝트다.

이렇게 연결된 망원경은 약 1만 3000㎞ 떨어진 곳에서 야구공의 꿰맨 바늘땀을 셀 수 있는 능력을 발휘하는 것으로 알려졌다. EHT의 네트워크는 전 세계 14개 연구기관이 협력하고 있다.

출처: 사이언스타임즈​

​✔️세계 최초 블랙홀 이미지 생성 순간

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🔼전파망원경이 수집한 블랙홀 전파 신호 데이터를 분석해 영상으로 처리하는 알고리즘을 개발한 케이티 보우먼이 첫 블랙홀 이미지 처리작업을 끝낸 순간

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✅케이티 보우만 (Katie Bouman) 블랙홀을 촬영하는 방법

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다른 유형의 이미지들은 서로 구별되는 특징들을 가집니다. 블랙홀 시물레이션 이미지와 지구에서 찍은 사진 사이에서 쉽게 다른점을 찾는 것 처럼요. 우리는 한 유형의 사진 속 특징을 부각시키지 않으면서 알고리즘을 설명할 수 있는 방법이 필요합니다. 이와 비슷하게 실행 가능한 방법 중 하나는 서로 다른 유형의 이미지 특징을 내세우고 예상된 유형의 이미지가 재구성에 어떤 영향을 미치는지 보는 것입니다. 만약 모든 유형의 사진이 매우 유사해보이는 인상을 준다면 우리가 만들고 있는 이미지 추정결과가 이 사진에 편향되어 있지 않다는 생각에 자신감을 가질 수 있게 될 것입니다.


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이는 전세계의 3명의 서로 다른 스케치 예술가들에게 동일한 설명을 해준 것과 비슷합니다. 만약 그들이 매우 비슷해 보이는 얼굴을 그려낸다면 그들이 고유의 문화적 편견을 그림에 담아내지 않았다고 확신을 가져도 되는 것입니다. 서로 다른 이미지의 특징점을 부각시킬 수 있는 방법은 기존의 이미지 조각을 사용하는 것입니다. 그래서 거대한 양의 사진 더미를 얻을 수 있고 우리는 그것을 작은 이미지 조각으로 쪼갤 수 있게 됩니다. 그 후 각각의 이미지 조각을 하나의 퍼즐처럼 취급할 수 있습니다. 그리고 우리는 흔히 보이는 퍼즐처럼 하나의 이미지를 맞출 수 있게 되고 망원경으로 측정한 것에도 똑같이 적용할 수 있죠.

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다른 유형의 이미지는 매우 특징적인 퍼즐 조각을 가지고 있습니다. 그렇다면 똑같은 데이터를 얻었으나 이미지를 재구성하는데 다른 퍼즐조각을 쓰면 어떤 일이 벌어질까요? 그럼 블랙홀 이미지 시물레이션 퍼즐 조각으로 시작해봅시다. 네, 상당히 괜찮군요. 이 사진은 블랙홀이 어떻게 생겼는지 우리가 예상하는 것과 비슷합니다. 그러나 우리는 단지 이것이 소수의 블랙홀 이미지에 충족시킨다고 얻어낼 수 있었을까요? 그렇다면 천문학적이지만 블랙홀이 아닌 물체의 퍼즐 조각으로 실험해봅시다. 상당히 비슷한 이미지를 얻어냈군요. 그런 다음 일상적인 사진들 예를 들어 당신의 개인 카메라로 촬영하는 것들과 비교해본다면 어떨까요? 아주 좋네요, 똑같은 사진을 볼 수 있습니다. 모두 다른 퍼즐 조각 세트로부터 똑같은 이미지를 찾아낸다면 우리가 만들고 있는 이미지의 추정치가 결과적 이미지에 영향을 받지 않았다는 것에 확신을 가질 수 있습니다.

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시도해 볼 수 있는 다른 방법은, 똑같은 퍼즐 조각을 쓰는 것입니다. 일상사진에서 유래된 것처럼 말이죠. 많은 유형의 원본 이미지를 재구성할 수 있습니다. 우리의 시물레이션에서는 블랙홀이 천문학적이지만 블랙홀이 아닌 물체라고 가정했습니다. 우리은하계 중심에 있는 코끼리 같은 일상적인 사진처럼 말이죠. 제일 밑에 보이는 우리 알고리즘의 결과가 위쪽에 있는 시물레이션의 진짜 이미지와 매우 비슷해 보일 때 우리 알고리즘에 대한 확신을 가질 수 있습니다. 그리고 여기에서 여러분께 매우 강조하고 싶은 것이 있는데 여기 있는 모든 사진들은 자그마한 일상 사진들의 조각을 맞추어 만들어 낸것입니다. 당신의 개인 카메라로 찍은 사진들도 마찬가지죠. 그래서 우리가 여지껏 본 적 없는 블랙홀의 이미지도 결국에는 사람, 건물, 나무, 고양이, 개와 같은 항상 볼 수 있는 사진들로 만들어 낼 수 있을 것입니다. 이런 아이디어를 상상한다는 것은 우리를 블랙홀 최초의 그림으로 데려다 줄 수 있을 겁니다. 그리고 바라건대, 과학자들이 일상적으로 의존하는 저런 유명한 이론들을 검증하십시오.

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그렇지만 당연하게도 이러한 일처럼 상상한 아이디어를 이루어내는 것은 제가 지금 함께 일할 수 있는 영광을 누린 좋은 팀의 연구원 분들 없이는 절대 가능하지 않을 것입니다. 아직도 저는 천체물리학적 배경이 없는 제가 이 프로젝트를 시작했지만 이런 특별한 연구를 통해 블랙홀 최초의 이미지를 만들 수 있었다는 것에 놀라곤 합니다. Event Horizon Telescope 같은 엄청난 프로젝트는 여러 학문 분야에서 서로에게 가져다주는 전문성 덕분에 성공적입니다. 우리는 천문학자 물리학자, 수학자, 그리고 엔지니어 분들이 섞여 있었습니다. 이것이 바로 언뜻 생각해 보았을 때 불가능해 보이는 것을 이뤄낼 수 있었던 비결이 되었습니다.


12:24
전 여러분 모두에게 밖으로 나가서 과학의 경계를 넓히도록 권하고 싶습니다. 그게 비록 처음에는 블랙홀처럼 이해하기 쉽지 않더라도요.


12:32
감사합니다. (박수)
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▶️영상보기​


🔖 ​EHT 연구진은 어떻게 블랙홀을 포착했나
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🔼This diagram shows the location of the telescopes used in the 2017 EHT observations of M87.

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🔼국제 협력을 통해 구축 된 8 개의 지상 기반 무선 망원경의 행성 규모 배열 인 Event Horizon Telescope (EHT)는 블랙홀의 이미지를 캡처하도록 설계되었습니다. 오늘날 전 세계의 기자 회견에서 EHT 연구원은 초자연적 인 블랙홀과 그림자의 직접적인 시각적 증거를 발표하면서 성공했다고 밝힌바 있습니다.

EHT를 만드는 것은 어려운 고도의 여러 사이트에 배치 된 8 개의 기존 망원경으로 이루어진 전세계 네트워크를 업그레이드하고 연결해야한다는 엄청난 도전이었습니다. 이 지역에는 하와이와 멕시코의 화산, 애리조나의 산과 스페인의 시에라 네바다, 칠레의 아타 카마 사막 및 남극이 포함됩니다.

EHT 관측은 전 세계의 망원경 시설을 동기화하고 행성의 회전을 이용하여 파장 1.3mm에서 관찰되는 하나의 거대한 지구 크기 망원경을 형성하는 VLBI (very-long-baseline interferometry)라는 기술을 사용합니다. VLBI는 EHT가 파리의 보도 카페에서 뉴욕의 신문을 읽을 정도로 20 마이크로 초의 각도 분해능을 달성 할 수있게합니다

이 결과에 기여하는 망원경은 ALMA , APEX , IRAM 30 미터 망원경 , James Clerk Maxwell 망원경 , Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano , Submillimeter Array , Submillimeter Telescope 및 South Pole Telescope 였다. 망원경으로부터의 원시 데이터의 페타 바이트는 라디오 천문학을위한 Max Planck Institute 와 MIT Haystack Observatory가 주최 한 고도로 전문화 된 슈퍼 컴퓨터에 의해 결합되었습니다 .

오늘 발표 된 EHT 및 관측의 구축은 수십 년의 관측, 기술 및 이론 작업의 절정을 나타냅니다. 이 글로벌 팀워크의 예는 전 세계의 연구자들과의 긴밀한 협력이 필요했습니다. 13 개의 파트너 기관은 기존 인프라와 다양한 기관의 지원을 모두 사용하여 EHT를 작성했습니다. 핵심 자금은 미국 국립 과학 재단 (NSF), EU 유럽 연구위원회 (ERC) 및 동아시아의 자금 지원 기관에 의해 제공되었습니다.

"우리는 한 세대 전에는 불가능한 것으로 추정되는 것을 성취했습니다" 라고 Doeleman은 결론지었습니다. "세계 최고의 라디오 관측소와 혁신적인 알고리즘 사이의 연결, 기술의 혁신이 모두 모여 블랙홀과 이벤트 지평선에 완전히 새로운 창을 열었습니다."

출처: 이벤트 호라이즌 망원경​

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False-color black hole images from numerical models of Sgr A* (top and 915h) and M87 (DJ1 and J2) used in our simulated EHT observations, shown on a linear scale. The properties of the images are described in Table 1. The Sgr A* images are best fit models to existing EHT data, and have been scatter-broadened to mimic the blurring effects of interstellar scattering. Although calculated from a range of theoretical models, in all cases the images are roughly crescent-shaped due to the combined relativistic effects of Doppler beaming and gravitational light bending. Each image has been normalized to its maximum flux, and scaled via the color bar shown on the left.

선형 척도로 표시된 시뮬레이션 된 EHT 관측에 사용 된 Sgr A * (상단 및 915h) 및 M87 (DJ1 및 J2)의 수치 모델로부터의 F 색 블랙홀 이미지. 이미지의 속성은 표 1에 설명되어 있습니다. Sgr A * 이미지는 기존 EHT 데이터에 가장 잘 맞는 모델이며, 성간 산란의 흐림 효과를 모방하기 위해 스 캐터로 확장되었습니다. 이론적 인 모델의 범위에서 계산되었지만, 모든 경우에 이미지는 도플러 빔과 중력 빛 굴곡의 조합 된 상대 론적 효과로 인해 대략 초승달 모양을 띤다. 각 이미지는 최대 플럭스로 정규화되고 왼쪽에 표시된 색상 막대를 통해 크기가 조정됩니다.

출처: 리서치게이트넷​