하이노팔케,외르크뢰머
1966년에독일쾰른에서태어났다.1986~1987년쾰른대학교에서물리학을공부했으며,1987년에본대학으로옮겨1992년물리학디플로마(석사학위에해당)를,1994년에는박사학위를받았다.이후본에있는막스플랑크전파천문학연구소,메릴랜드대학교,애리조나대학교에서과학자로일했다.2003년네덜란드네이메헌의라드바우드대학교전파천문학및천체입자물리학특임교수를시작으로2007년정교수가되었다.2011년블랙홀영상을찍는아이디어가인정받아네덜란드에서과학자들에게수여하는최고의상인스피노자상을받았다.현재라드바우드대학교전파천문학및천체입자물리학교수이며본의막스플랑크전파천문학연구소의객원과학자이다.
과학적업적으로네덜란드국왕에게기사작위를받았으며,베를린-브란덴부르크과학·인문학아카데미상,미국국립과학원에서헨리드레이퍼메달을수상했다.네덜란드왕립예술과학아카데미(KNAW)회원이기도하다.그의이름을딴소행성이국제천문연맹소행성센터(MinorPlanetCenter,MPC)의소행성목록에Nr.12654〔asteroid12654(Heinofalcke)〕로등재되어있다.
프롤로그
1부시공간으로의여행
01인간,지구그리고달
02태양계와우주관
2부우주의신비
03가장행복한아인슈타인의생각들
04은하수와은하수에속한별들
05죽은별과블랙홀
06은하,퀘이사그리고빅뱅
3부이미지로의여행
07우리은하중심
08블랙홀이미지를얻기위한아이디어
09세계망원경의탄생
10탐험에나서다
11첫번째사진
4부경계너머
12우리의상상력너머
13아인슈타인을넘어서?
14전능과한계
감사의글
사건지평선망원경협력단논문저자목록
용어설명
사진저작권
주
추천의글:선을넘자(이정모,국립과천과학관관장)
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사건지평선망원경(EHT)프로젝트
사건지평선망원경(EventHorizonTelescope,EHT)은전세계에산재한전파망원경을연결해지구크기의가상망원경을만들어블랙홀의영상을포착하려는국제협력프로젝트이자이가상망원경의이름이다.사건의지평선은블랙홀주변의보이지않는한계지역으로,이곳으로부터물질,전자기파그리고모든정보가블랙홀로떨어진다.떨어진뒤에는다시빠져나올수없다.
전체EHT는2017년4월,수년간의준비,과학정책과의마찰,기술적문제해결등을통해이제곧꿈을실현할것이라기대했다.2017년4월초,8곳의EHT천문대가하늘에있는동일한표적을겨냥했다.칠레에2대,하와이에2대,그리고에스파냐·멕시코·애리조나·남극에각각1대씩망원경을배치했다.이에더해세라마코프는천문학자그룹과함께EHT그룹과병행해관측할지상망원경과우주망원경으로구성된함대를조직했다.빛의모든영역을관측하기위해근적외선망원경부터감마선망원경까지모든것을갖추었다.
2017년4월4일부터관측할수있는기간은열흘.4월4일,모든EHT망원경에대한시험관측을실시했다.VLBI조직내에서기술실패는늘일어난다.망원경은그렇게하도록조작할때만비로소팀플레이를한다.그러나컴퓨터와마찬가지로대개조작자,즉사람이체인의약한고리다.아주작은오류가성공을방해한다.
EHT네트워크로관측할때,망원경8대를한꺼번에관측하는일은결코없다.스캔목록에있는전파원을모든위치에서동시에관찰할수없기때문이다.
5일간관측하는동안,망원경8대는각각약450테라바이트의데이터를모은다.따라서총3.5페타바이트(1페타바이트는0이15개붙는숫자)정도를처리해야한다.첫번째단계는여러망원경의데이터를연관시키는것이다.즉정확한타이밍에중첩해결합하는것이다.
2018년4월에는망원경의새수신기가제때완성되지않아첫3일을놓쳤고,날씨도좋지않았다.피코델벨레타에서는망원경이안개속으로사라지고,칠레ALMA망원경은얼어버리고,애리조나와하와이에서도날씨가별로였다.새로그린란드망원경(GLT)이처음으로참가했다.2019년의다음관측은수행할수없었고,2020년4월에다시시도하기로했으나코로나바이러스가관측캠페인을방해했다.다시는관측을진행하지못했다.2017년은기적의해였다.
M87*:M87의중심에있는블랙홀
사건의지평선은이제아인슈타인과슈바르츠실트시대처럼더이상추상적인수학적아이디어가아니다.연구를수행하는구체적인과학의영역이되었다.중력파,펄서,사건지평선망원경(EHT)등을통해우주의극한지역과다양한규모의상대성이론을면밀히살펴보기위해각종기기를모았다.예를들어,일반상대성이론은기본적으로사건의지평선과그그림자의크기가블랙홀의질량에비례한다고예측한다.2016년에발견한중력파역시원칙적으로이그림자지역에서발생했지만크기가작은항성형블랙홀에서발생했고,그크기는이에따라추정할수있다.
이들의블랙홀은이작은항성형블랙홀보다1억배더무겁지만,또1억배더크다.정확히예상한대로였다.아인슈타인이론의가장근본적예측,이른바척도불변(scaleinvariance)은이를통해소수점아래여덟번째자리까지특히인상적으로정확하게확인되었다.
저자들은논문작성중M87은하에있는블랙홀의이름과관련해문제를발견했다.이중력의불가사의를부를용어가없는것이다.이천체의이름을지어주거나,매번“M87의중심에있는블랙홀”이라며번거롭게언급할수밖에없었다.결국,M87은블랙홀이아니라은하계전체의이름이었다.
그래서협업에대한자세한논의를마친뒤‘궁수자리A*’의경우처럼이름에단순히별표를추가했다.천문학자에게는효율적이고논리적인결정이었다.이원칙은다른은하에도쉽게적용할수있다.
최종논문이승인되다
관측자료를교정하고이미지화해사진을얻기까지길고긴노력의시간이필요하다.그리고마침내이미지가세상의빛을보기까지집중적인작업단계만남았다.〈천체물리학저널(TheAstrophysicalJournal)〉에서는여섯가지연구를위한특별판을약속했다.모든문장하나하나,모든주석하나하나에의문을제기하고때로는이의를제기하며논의하는혹독한과정을거친뒤학회지에보내기전에먼저각논문을내부에서검토했다.
논문에서는다른모든논문을요약할뿐만아니라이결과의약점과강점도설명한다.고리가우연히그곳에있을수도있지않을까?거의블랙홀처럼보이지만실제로는완전히다른무엇일수도있지않을까?하지만블랙홀이가장단순하고타당한설명이었고,우주의다양한천체물리학현상을설명했다.
연구가끝나고그것을정리하니9쪽에달하고,관련한동료·연구소·대학·후원기관·전파망원경등을모두나열하는데거의비슷한분량이소요됐다.348명이나되는저자의이름을알파벳순서로나열했다.
2월초공식적으로〈천체물리학저널〉에논문을보냈다.독립적인전문가가결과를검토하는동료심사만남았다.일반적으로몇주에서몇달이걸릴수있지만,이번에는미리선발한심사위원들이대기중이었다.검토자가논문을거부하거나간과한오류를발견하게된다면어떻게될까?며칠뒤익명의보고서를받아들었고,반응은매우긍정적이었다.
2019년3월20일,최종논문이승인되었다.
때로는학회공식일정보다휴식시간에더중요한결정들이이루어진다
모든논의는학회에서하는것이가장좋다.하지만학회에서강연보다더중요한것은때때로커피를마시기위한휴식시간과공식만찬이라고저자는강조한다.“사건지평선망원경”프로젝트의명칭에대한아이디어역시그런자리에서결정되었다.
미국의10년계획인“아스트로2010:천문학과천체물리학10년조사(Astro2010:TheAstronomyandAstrophysicsDecadalSurvey)”가“새로운세계,천문학과천체물리학”이라는제목으로만들어졌다.
“10년조사”직전,돌먼이캘리포니아롱비치에서열린미국천문학회(AAS)연례회의에서워크숍을개최했다.여기에팔케교수도초청받았다.“10년조사”에대한광범위한국제적지지를명확히하는자리였다.
쉬는시간팔케교수는보스턴의헤이스택천문대솁돌먼과당시에는시카고에있었고나중에애리조나로옮긴댄마론과함께앉았다.팔케교수는이런프로젝트에서좋은마케팅이얼마나중요한지점점더깨닫고있었다.하지만당시이프로젝트에는고유한명칭조차없었다.몇몇을제외하고는어느누구도‘서브밀리미터VLBI간섭계’로무엇을할수있는지알지못했다.그자리에서팔케교수는“이제이이름을바꿔야한다!우리도매력적인이름이필요하다”고말한뒤,‘사건지평선간섭계(EventHorizonArray)’라는용어를제안했다.활발한토론끝에,‘사건지평선망원경’에합의했다.이름,상징,브랜드가탄생했다.잠깐커피를마시며담소하는시간에.그시간에과학자들은며칠간하루도쉬지않고진행하는강연발표때보다더활발하게움직이면서학문적진보를이루고는한다.
2017년관측자료로두번째블랙홀사진을얻다:우리은하중심의초대질량블랙홀궁수자리A*
2022년5월12일22시07분,EHT협력단은다시한번블랙홀사진을공개했다.우리은하중심에위치한초대질량블랙홀궁수자리A(SgrA*)영상이다.2017년사건지평선망원경협력단이관측한결과가5년간의노력끝에공개된것이다.우리나라한국천문연구원(이하천문연)도참여했다.천문연연구진은관측과자료처리,분석등전과정에서M87블랙홀결과이상의기여를했고KVN의우수성을알렸다.그리고2022년여름에는KVN다파장동시수신시스템이차세대사건지평선망원경의수신시스템으로채택되기도했다.블랙홀두번째사진은2022년천문연10대뉴스중1위에선정되었다(천문연자료참조).
우리은하중심에위치한궁수자리A블랙홀은지구로부터약2만7000광년떨어져있으며,질량이태양보다약400만배크다.태양계로부터의거리가M87블랙홀과비교해2000분의1정도로가까워블랙홀연구의유력한대상이다.그러나M87에비해1500배이상질량이작아,블랙홀주변의가스흐름이급격히변하고,영상이심한산란효과를겪어M87에비해관측이어려웠다(천문연2022년5월12일보도자료).
이책에서도이러한이유로M87*의이미지화작업을먼저진행했음을밝힌다.
“M87의질량괴물은우리이미지에완벽하게부합한다.방출하는플라스마가거의빛의속도로블랙홀주위로흐르지만,거대한크기때문에고리가한바퀴를돌려면수일혹은수주가걸린다.우리의전세계망원경으로약8시간동안사진을찍으면M87의블랙홀은여전히겨울잠을자는큰곰과같다.반면,궁수자리A*의중심은M87보다1000배작고,따라서뜨거운가스는회전하면서동시에1000배더자주변한다.우리관측기록에서이뜨거운가스는생일날심하게활동적인두살배기처럼요동친다.장시간노출촬영은매우흐릿할수있으며,우리관측데이터에서깨끗하고선명한이미지를생성하는데는훨씬더많은노력을기울여야할것이다.
궁수자리A*관측데이터를편집하고사용하는것이훨씬어렵다는것을깨달았다.따라서은하M87의데이터만평가하려고한다.”
책의구성
책은4부로구성되어있다.
이책은저자와함께떠나는우주여행이다.1부에서지구에서출발해달과태양을지나날아갔다가행성들을통과해오늘날우리의우주관을밝혀준천문학의역사에대해들려준다.2부에서는현대천문학이밝혀낸지식에대한여행이다.시간과공간은상대적이다.별은태어나서나이를먹고많은경우블랙홀이된다.결국우리는우리은하를벗어나상상도할수없이큰우주를볼때까지여행하게되는데,그곳에는은하와괴물같은블랙홀이우글거린다.은하는시공의발단인빅뱅에대한정보를제공한다.블랙홀은관측가능한시간의끝부분에놓여있다.
1~2부는뛰어난교양과학서이자천문학개론서의역할을한다.추천사를쓴국립과천과학관이정모관장은“스티븐호킹이내게설명하지못한블랙홀과아인슈타인이알려주지못한상대성이론이상당히해소된느낌”이라고극찬했다.
책의백미는3부“이미지로의여행”이다.블랙홀을처음으로직접관측한사진은수백명의천문학자가수년동안공동작업을해얻은결과다.사진을얻기까지작은겨자씨만한아이디어에서시작해거대한실험으로성장하고,전세계의전파망원경으로흥미로운탐험을하고난뒤마침내이미지관측에성공해대중에게공표하기까지,모험과정에서축적한저자개인의경험을여기서소개한다.과학자들이무엇을고민하고어떻게문제를해결하며어떤식으로협력하는지,그리고그과정에어떤좌절과기쁨이함께하는지생생하게펼쳐보인다.그야말로한편의영화같다.
4부에서는과학이안고있는궁극적인의문몇가지를다룬다.블랙홀이끝인가?시공의시작전에는무슨일이있었을까?시공의끝은무엇인가?눈에띄지않지만너무나아름다운지구라는이곳에살고있는작은인간들이이런지식을어떻게알아내는가?자연과학의성공은우리가곧모든것을알고측정하고예측할수있다는것을의미할까?그것에대한불확실성,희망,의문을제기할수있을까?그리고신을생각할여지는?
4부와관련해이정모관장은“매우낯설다.과학책에서는정말보기드문장면이다”고했다.독실한기독교신자인팔케교수가과학과신앙에관해이야기하고있기때문이다.물론걱정할필요는없다.그는창조과학자가아니니까.
최초의블랙홀사진은천문학과물리학의전체발전은물론감정,신화적과장,지능적침묵,별의관측,지구와공간의측정,공간과시간의이해,최신기술,글로벌협력,인간적긴장,길을잃는두려움,완전히새로운것에대한희망을아우른다.
EHT는계속작동할것이다.망원경없는천문학은악기없는교향악단과같다.더많이관측해야하고훨씬많은망원경이필요하다.전파망원경이지구둘레를한바퀴도는순간인상적인최종이미지를얻게될것이다.그러면언젠가우리는실제로지구보다큰망원경을갖게될것이다.(2018~2020년에그린란드망원경,IRAMNOEMA천문대,키트피크12미터망원경등3개가추가되어11대로늘었다.)
어릴적달탐사영상을보며우주에대한꿈을키운저자는어느덧최초로블랙홀영상을담은과학자가되었다.그리고이책을통해그과정에서겪은많은일과마침내성과를이룬순간의환희,이후의고민등을우리에게들려준다.그는냉철한과학자이면서재치있고유쾌하다.글곳곳에그의그런성정이고스란히담겼다.상태성이론과양자역학은여전히어렵지만사려깊은설명덕에조금은더잘이해할수있을것같고,더불어개인적경험을아우르면서흥미로움을더했다.열정적이고긍정적이며활기찬과학자이자한인간으로서저자의매력도충분히느낄수있는즐거운과학여행이될것이다.
추천사
《이것이최초의블랙홀사진입니다》는뛰어난교양과학서다.교양과학서가갖출것은다갖추었다.저자가가르쳐주려는지식을얻기위해알아야할사전지식을아주친절하게설명한다.1부“시간으로의여행”과2부“우주의신비”만으로도천문학교양서적몇권의역할을해낸다.스티븐호킹이내게설명하지못한블랙홀과아인슈타인이알려주지못한상대성이론이상당히해소된느낌이다.
책의백미는3부“이미지로의여행”이다.블랙홀사진을찍기위한지난한과정을들려준다.과학자들이무엇을고민하고어떻게문제를해결하며어떤식으로협력하는지,그리고그과정에어떤좌절과기쁨이함께하는지생생하게펼쳐보인다.일단3부에들어가면눈을뗄수없을만큼숨막히게진행되는드라마같다.마치영화를보는듯하다.3부만으로영화한편을찍을수있을듯싶다.
－이정모(국립과천과학관관장),추천의글중에서
블랙홀의모습을인류에게선물한‘사건지평선망원경(EHT)’협력단이라는거대한“과학”오케스트라의지휘자중한명이들려주는블랙홀과우주와신에대한이야기.역사와일상에서찾은풍부한사례와함께이‘젊은대가’가들려주는우주교향곡그리고신에대한그의솔로연주는독자들에게우주와종교그리고저마다의삶을깊이생각해볼기회를줄것이다.
－손봉원(EHT협력단한국책임자,한국천문연구원책임연구원)