GRAVITY로 미리내 중심을 성공적으로 관측하다.

 

Credit: ESO/L. Calcada

그림 1> 이 상상화는 미리내 중심의 초거대질량 블랙홀 주위를 도는 별들의 공전궤도를 그려본 것이다.
2018년 이 별들 중 하나인 S2가 블랙홀로부터 가장 가까운 거리를 통과하게 된다.
이 기회는 가장 강력한 중력효과를 연구할 수 있는 최상의 기회인 한편  아인슈타인의 상대성 이론을 검증해 볼 수 있는 기회이기도 하다. 
ESO 초대형망원경(이하 VLT) 간섭계에 장착된 GRAVITY장비는 이 별들의 위치를 정확하게 측정해낼 수 있는 가장 강력한 관측 기구이며 2016년 여름 S2의 위치에 대한 시험 관측을 성공적으로 진행하였다.

S2의 공전궤도가 붉은 색으로 표시되어 있으며 블랙홀 중심의 위치는 붉은색 조준선으로 표시되어 있다.

 

유럽의 천문학자들로 구성된 연구팀이 ESO VLT에 장착된 GRAVITY 관측 장비와 4개의 8.2미터 망원경을 연계하여 미리내의 중심에 대한 흥미로운 관측 데이터를 얻을 수 있었다.
이번 연구 결과는 GRAVITY를 이용하여  초거대질량의 블랙홀 근처에 형성되는 극단적으로 강력한 중력장을 관측함으로써, 아인슈타인의 상대성 이론을 검증할 수 있음을 말해주는 탁월한 과학적 성과를 보여주는 것이다.

 

GRAVITY는 현재 ESO 초대형 망원경을 구성하는 4개의 8.2미터 망원경들과 함께 운영되고 있으며 시험 초기 단계부터 이미 세계 정상급의 과학 탐사 자료를 만들것이 확실한 탐사기구였다.

GRAVITY는 VLT 간섭계의 일부를 구성하고 있다.

 

GRAVITY는 4개 망원경으로 받아들인 빛을 합쳐서 동일한 공간 분해능을 구현할 수 있으며 대상 천체의 위치측정 정확도는 지름 130 미터의 망원경에 맞먹는 수준이다.

8.2미터 VLT 망원경 15개의 능력에 해당하는 강력한 해상도와 정확한 위치측정 능력은 GRAVITY로 하여금 관측 대상 천체에 대한 놀랍도록 정확한 측정을 가능하게 한다.

 

GRAVITY의 주요 목표 중 하나는 미리내의 한가운데에 있는 태양 4백만 배 질량의 블랙홀 주변에 대한 상세 관측을 진행하는 것이다.[1]

 

비록 미리내 중심 블랙홀의 위치와 질량은 2002년 이래 그 주위를 도는 별들의 움직임을 측정하는 방법을 이용하여 많이 알려져 왔지만 GRAVITY는 천문학자들로 하여금 가장 정밀하게 블랙홀 주변 중력을 탐지할 수 있게 해줌으로써 아인슈타인의 일반상대성 이론을 검증할 수 있는 독보적인 실험실을 마련해주고 있다.

이런 측면에 있어서 GRAVITY를 이용한 첫번째 관측은 이미 대단한 흥미를 끄는데 성공하였다.

 

GRAVITY 연구팀[2]은 블랙홀 주변을 16년 주기로 돌고 있는 S2라는 이름의 별을 관측하였다.

이번에 진행된 일련의 실험들은 고작 몇 분간의 관측을 통해서 이 희미한 별을 포착해냄으로써 GRAVITY의 관측 능력에 대한 인상적인 결과를 보여주었다.

 

연구팀은 곧 이 별의 위치 정보를 대단히 정확하게 얻을 수 있게 될 것인데 그 수준은 달에 있는 물체에 대해 센티미터 단위로 그 위치를 측정해 낼 수 있는 수준과 맞먹는다.

 

이러한 위치 정보는 연구팀으로 하여금 블랙홀 주위를 도는 이 별의 움직임에 대한 상세 정보를 제공하게 될 것이고, 이어 아인슈타인의 상대성 이론에 입각한 예견치와 일치하는지 여부를 확인하는데 사용될 것이다.

 

이번 관측은 또한 미리내의 중심부가 바램대로 이상적인 실험실이 될 수 있음을 보여주고 있다.

 

GRAVITY의 수석 과학자인 막스플랑크외계물리학연구소의 프랑크 아이젠하우어(Frank Eisenhauer)의 소감은 다음과 같다.
"8년에 걸친 어려운 작업 끝에 처음으로 간섭계에 별빛이 포착되는 순간은 모든 연구팀들에게 정말 환상적인 순간이었습니다.
우선 우리는 밝은 주별 별 간섭을 일정한 수준으로 유지시키고 이로부터 고작 몇 분후 이 희미한 별로부터 발생하는 간섭파를 볼 수 있었죠.
정말 모두가 하이파이브를 나누던 순간이었습니다."

 

처음에 간섭을 발생시킨 별 뿐만 아니라 관측 목표가 된 별 모두 무거운 질량을 가진 동반별을 거느리고 있지 않았다면 관측 및 분석은 더더욱 복잡했을 것이다.
아이젠하우어는 이번에 관측대상이 된 별들이야말로 이상적인 관측 대상이었다고 평가했다.

이처럼 작업 초기에 맞게 되는 성공의 순간은 자주 만나는 것이 아니다.

 

2018년, S2는 블랙홀에 가장 가까운 지점까지 접근하게 된다.
이때 블랙홀로부터 17광년 거리까지 접근하게 되는데 이때의 이동 속도는 시속 3천만 킬로미터에 달하게 된다.
이는 빛의 속도에 2.5%에 해당하는 속도이다.

 

이정도 거리에서 일반상대성이론에 따른 효과는 가장 뚜렷하게 나타나게 되고 GRAVITY 관측은 가장 중요한 결과를 도출하게 될 것이다. [3]
그리고 이 기회는 이후 16년이 더 지날서야 다시 반복될 것이다. 

Credit: ESO/MPE/S. Gillessen et al.

사진 1> 미리내 중심부 사진
GRAVITY 관측에서 IRS 16C 라는 별은 참고별로 활용되었다.
실제 관측 목표가 되는 별은 S2이다.
미리내 중심부는 Sgr A*라는 이름의 블랙홀을 품고 있는데 이 블랙홀의 질량은 태양의 4백만배이다.
사진에서 미리내 중심은 주황색 조준선으로 표시되어 있다.

 

 

 

각주

 

[1] 미리내의 중심부는 궁수자리에 위치하고 있으며 지구로부터 약 25,000 광년 떨어져 있다.

 

[2] GRAVITY 컨소시엄을 구성하는 단체는 다음과 같다.
막스플랑크 외계물리학 연구소(the Max Planck Institutes for Extraterrestrial Physics, MPE), 막스클랑크 천문 연구소(the Max Planck Institutes for Astronomy, MPIA), 파리 레시아 천문대(LESIA of Paris Observatory) 및 그르노블 알프스 대학교 IPAG / CNRS, 쾰른 대학교(University of Cologne), 리스본 및 포르토의 중앙 천체물리 합동 연구센터(the Centro Multidisciplinar de Astrofisica Lisbon and Porto, SIM), 유럽남반구천문대(ESO).
   
[3] 연구팀은 블랙홀을 도는 별을 통해 두가지 상대론적 효과를 측정할 수 있게 된다.
중력 적색편이와 중력의 중심에서 가장 가까운 궤도상의 지점을 측정해내는 것이 그것이다.
적색편이는 별로부터 발생한 빛이 강력한 중력장의 영역에서 우주 공간으로 탈출하기 위해 이동하면서 발생하게 된다. 
이동 와중에 빛은 에너지를 잃게 되고 이러한 현상이 빛의 적색 편이로 드러나게 되는 것이다. 
두 번째 효과는 별의 공전궤도에 적용되는 효과로서 완벽한 타원형 궤도에서 편차를 유도하는 효과이다. 
별이 블랙홀로부터 가까운 지점을 통과할 때 타원형 회전방향은 공전면에서 약 0.5도 돌아가게 된다. 
동일한 효과가 블랙홀의 극단적인 주변 환경보다 6,500배나 약한 태양 주위의 수성에서도 관측된다. 
미리내 중심의 경우 그 거리가 태양계보다 훨씬 멀어 이를 탐지해내기가 매우 어려운 것이다.

 

 

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Organisation Release  2016년 6월 23일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1622/

 

참고 : 우리은하 미리내를 비롯한 다양한 은하단 및 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 : https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 : https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

원문>

eso1622 — Organisation Release

Successful First Observations of Galactic Centre with GRAVITY

Black hole probe now working with the four VLT Unit Telescopes

23 June 2016

 

A European team of astronomers have used the new GRAVITY instrument at ESO’s Very Large Telescope to obtain exciting observations of the centre of the Milky Way by combining light from all four of the 8.2-metre Unit Telescopes for the first time. These results provide a taste of the groundbreaking science that GRAVITY will produce as it probes the extremely strong gravitational fields close to the central supermassive black hole and tests Einstein’s general relativity.

The GRAVITY instrument is now operating with the four 8.2-metre Unit Telescopes of ESO’s Very Large Telescope (VLT), and even from early test results it is already clear that it will soon be producing world-class science.

GRAVITY is part of the VLT Interferometer. By combining light from the four telescopes it can achieve the same spatial resolution and precision in measuring positions as a telescope of up to 130 metres in diameter. The corresponding gains in resolving power and positional accuracy — a factor of 15 over the individual 8.2-metre VLT Unit Telescopes — will enable GRAVITY to make amazingly accurate measurements of astronomical objects.

One of GRAVITY’s primary goals is to make detailed observations of the surroundings of the 4 million solar mass black hole at the very centre of the Milky Way [1]. Although the position and mass of the black hole have been known since 2002, by making precision measurements of the motions of stars orbiting it, GRAVITY will allow astronomers to probe the gravitational field around the black hole in unprecedented detail, providing a unique test of Einstein’s general theory of relativity.

In this regard, the first observations with GRAVITY are already very exciting. The GRAVITY team [2] has used the instrument to observe a star known as S2 as it orbits the black hole at the centre of our galaxy with a period of only 16 years. These tests have impressively demonstrated GRAVITY’s sensitivity as it was able to see this faint star in just a few minutes of observation.

The team will soon be able to obtain ultra-precise positions of the orbiting star, equivalent to measuring the position of an object on the Moon with centimetre precision. That will enable them to determine whether the motion around the black hole follows the predictions of Einstein’s general relativity — or not. The new observations show that the Galactic Centre is as ideal a laboratory as one can hope for.

"It was a fantastic moment for the whole team when the light from the star interfered for the first time — after eight years of hard work," says GRAVITY’s lead scientist Frank Eisenhauer from the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany. "First we actively stabilised the interference on a bright nearby star, and then only a few minutes later we could really see the interference from the faint star — to a lot of high-fives.” At first glance neither the reference star nor the orbiting star have massive companions that would complicate the observations and analysis. "They are ideal probes," explains Eisenhauer.

This early indication of success does not come a moment too soon. In 2018 the S2 star will be at its closest to the black hole, just 17 light-hours away from it and travelling at almost 30 million kilometres per hour, or 2.5% of the speed of light. At this distance the effects due to general relativity will be most pronounced and GRAVITY observations will yield their most important results [3]. This opportunity will not be repeated for another 16 years.

Notes

[1] The centre of the Milky Way, our home galaxy, lies on the sky in the constellation of Sagittarius (The Archer) and is some 25 000 light-years distant from Earth.

[2] The GRAVITY consortium consists of: the Max Planck Institutes for Extraterrestrial Physics (MPE) and Astronomy (MPIA), LESIA of Paris Observatory and IPAG of Université Grenoble Alpes/CNRS, the University of Cologne, the Centro Multidisciplinar de Astrofísica Lisbon and Porto (SIM), and ESO.

[3] The team will, for the first time, be able to measure two relativistic effects for a star orbiting a massive black hole — the gravitational redshift and the precession of the pericentre. The redshift arises because light from the star has to move against the strong gravitational field of the massive black hole in order to escape into the Universe. As it does so it loses energy, which manifests as a redshift of the light. The second effect applies to the star’s orbit and leads to a deviation from a perfect ellipse. The orientation of the ellipse rotates by around half a degree in the orbital plane when the star passes close to the black hole. The same effect has been observed for Mercury's orbit around the Sun, where it is about 6500 times weaker per orbit than in the extreme vicinity of the black hole. But the larger distance makes it much harder to observe in the Galactic Centre than in the Solar System.

More information

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• First light of GRAVITY (ESO)
• First light of GRAVITY (MPE)
• GRAVITY instrument web page (ESO)
• GRAVITY instrument web page (MPE)
• Orbits of stars around the galactic centre (ESO)
• Orbits of stars around the galactic centre (MPE)

Contacts

Frank Eisenhauer
GRAVITY Principal Investigator, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching, Germany
Tel: +49 (89) 30 000 3563
Email: eisenhau@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

Hannelore Hämmerle
Public Information Officer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching, Germany
Tel: +49 (89) 30 000 3980
Email: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de

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