많은 천문학자들과 달리 Erin Kara는 별에 매료되어 자라지 않았습니다. “저는 별을 쳐다보고 이것을 하고 싶어하는 어린 아이의 이야기가 없어서 약간의 불안감을 느꼈습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “그게 나를 가짜로 만들었나요?”

하지만 학부 때 천체물리학을 접한 후 카라는 푹 빠졌습니다. 지금 관측천체물리학자 매사추세츠 공과대학에서 그녀는 놀라운 영역을 방문합니다. 영화 속 우주비행사처럼 성간, 그녀는 거대한 블랙홀 근처 지역을 탐험합니다. 그녀의 목표는 블랙홀이 어떻게 행동하는지, 그리고 그들이 우주 전체에 걸쳐 은하계를 어떻게 지속적으로 재구성하는지 더 잘 이해하는 것입니다.

수백만 또는 수십억 개의 태양과 맞먹는 질량을 지닌 초대질량 블랙홀은 거의 모든 은하계의 중심에 숨어 있습니다. 에너지적으로 이 블랙홀은 은하계의 어둡고 뛰는 심장과 같습니다.

“그들은 단지 장식용이 아닙니다. 그들은 단지 수동적으로 앉아 있는 것이 아닙니다”라고 Kara는 말했습니다. "그들은 실제로 은하계가 어떻게 진화하는지, 그리고 은하계가 그렇게 보이는 이유를 지시하고 있습니다."

카라는 대부분의 에너지가 방출되는 블랙홀 근처의 환경을 이해하려고 노력합니다. 예를 들어, 블랙홀 근처에서 소용돌이치는 가스와 플라즈마(강착 원반을 형성함)를 주의 깊게 추적함으로써 그녀는 블랙홀의 질량을 대략적으로 추정할 수 있습니다. 근처에 있는 가스와 플라즈마는 또한 블랙홀이 어떻게 상대론적 제트와 같은 극단적인 우주 구조를 생성하는지 밝혀내는 데 도움이 될 수 있습니다. 즉, 거의 빛의 속도로 가속되는 거대한 과열 ​​플라즈마 빔입니다.

그러나 Kara와 다른 연구자들이 극복해야 할 큰 문제가 있습니다. 이러한 목표 블랙홀은 너무 멀리 떨어져 있어 기존의 이미징 기술로는 주변 환경을 해결할 수 없습니다. 블랙홀 주변의 즉각적인 환경을 재구성하기 위해 Kara는 강착 원반에서 방출되는 X선 빛을 사용합니다. 그녀는 그 빛이 지구에 도달할 때의 미묘한 지연을 측정합니다. 이를 통해 그녀는 놀라운 분해능으로 가스와 플라즈마의 구조를 유추할 수 있다. 잔향 매핑이라고 불리는 이 방법에 대한 Kara의 연구는 블랙홀의 광란을 전례 없이 자세하게 드러냈습니다. 최초의 엑스레이 "메아리" 별을 분쇄하는 블랙홀에서 본 적이 있습니다. Kara는 미국천문학회의 2022년 수상을 받았습니다. 뉴턴 레이시 피어스 상는 지난 5년 동안 관측 천문학 분야에서 뛰어난 성과를 인정한 상입니다.

Quanta Magazine 최근 Kara와 그녀가 과학을 향한 길, 잔향 매핑의 기초, 밤잠을 설치게 만드는 블랙홀에 대해 이야기했습니다. 인터뷰 내용은 명확성을 위해 압축 및 편집되었습니다.

당신은 블랙홀에 대해 생각하는 데 많은 시간을 소비합니다. 시뮬레이션을 소리로 변환. 많은 사람들은 블랙홀을 “이상하다”, “으스스하다”, “으스스하다”고 생각합니다. 그 특성화를 구입합니까?

블랙홀은 우리 모두가 두려워해야 할 불쾌한 존재라는 고정관념이 있습니다. 하지만 놀라운 점은 블랙홀이 실제로 우리에게 생명을 준다는 것입니다. 추상화 수준으로 끌어올리고 싶다면 말이죠. 우리가 모두 여기에 있는 이유는 우리 은하계의 가스가 분포해 별이 형성될 수 있었고, 그것이 결국 우리가 살고 있는 행성으로 이어졌기 때문이다. 이것은 어떤 면에서 우리 은하 중심의 블랙홀에 의해 결정되었습니다.

블랙홀은 종말이나 모든 것의 종말이 아닙니다. 실제로 어떤 면에서는 시작에 불과합니다.

큰 그림 수준에서 가장 관심을 갖고 해결하고 싶은 블랙홀 관련 질문은 무엇입니까?

블랙홀 주변의 강하게 휘어진 시공간에서 가스 흐름이 어떻게 행동하는지 이해한다면 해당 정보를 사용하여 블랙홀의 기본 특성, 즉 질량과 회전 속도를 측정하는 스핀을 측정할 수 있습니다.

당신이 보고 있는 블랙홀의 일반적인 환경을 설명해 주시겠습니까?

그들은 모두 가스와 먼지 원반으로 둘러싸여 있습니다. 이러한 강착 원반은 자체적으로 광학 복사와 자외선 복사를 방출할 만큼 충분히 뜨거워질 수 있지만 X선을 생성할 만큼 뜨겁지는 않습니다. 우리가 망원경으로 보는 것은 디스크를 소모하는 과정에 있는 블랙홀이 항상 X선을 생성한다는 것입니다. 10억 광년 떨어진 곳에서 엑스레이를 본다면 그것은 아마도 초거대질량 블랙홀에서 나온 것일 것입니다.

블랙홀은 어떻게 그러한 엑스레이를 생성합니까?

우리는 X선 광자를 생성하는 블랙홀 주변에 매우 높은 에너지의 플라즈마가 있어야 한다는 것을 알고 있습니다. 우리는 그것을 코로나라고 부릅니다. 태양 주위에 있는 뜨거운 플라즈마와 같습니다. 블랙홀의 코로나는 강착원반 위에 있는 왕관과 같습니다. 극도로 뜨거워질 수 있고, 많은 양의 엑스레이가 생성됩니다. 강착원반의 물질은 약 100만 켈빈이지만 코로나는 10억 켈빈입니다. 우리는 실제로 이 코로나에 대해 많은 것을 알지 못합니다. 가장 큰 질문 중 하나는 이것이 어떻게 형성되는가입니다. 그 기하학은 무엇입니까?

그렇다면 귀하가 사용하는 기술인 반향 매핑이 어떻게 엑스레이 수집에서 코로나와 그 주변을 드러내는 데까지 발전할 수 있습니까?

블랙홀과 강착원반 주변에 코로나가 있습니다. 그리고 코로나가 더 차가운 부착 디스크에 X선을 조사하면 디스크의 이온이 주로 형광을 통해 자체적으로 X선을 방출하게 됩니다.

기본적으로 이러한 2차 X선은 빛의 메아리와 같기 때문에 우리는 이를 잔향 메아리라고 부릅니다. 우리가 하고 있는 일은 코로나에서 나오는 X선 빛의 1차 섬광과 그에 상응하는 강착 원반의 반향 사이의 시간 지연을 측정하는 것입니다. 이러한 에코를 측정할 수 있다면 블랙홀 주변의 모습을 재구성할 수 있습니다.

이는 박쥐가 반향정위를 사용하는 방식과 유사합니다. 그들은 자신이 통과하고 있는 어두운 동굴을 볼 수 없지만, 메아리가 약간의 시간이 지나면 다시 돌아올 것이라는 것을 알고 있으며, 메아리가 음속으로 이동한다는 사실을 이용하여 경로를 계획할 수 있습니다. 어두운 동굴. 빛의 속도로 이동하는 빛을 제외하면 우리는 그렇게 하고 있습니다.

제가 말하려고 했던 것은, 박쥐 주변의 벽은 상대론적인 속도로 움직이지 않기 때문에 이 작업을 할 때 상황이 좀 더 복잡해질 것이라고 생각합니다.

[웃어요.] 그것보다 조금 더 복잡합니다. 단지 약간만…

그렇다면 데이터(양동이에 있는 X선 광자)에서 블랙홀 주변 지역의 지도로 이동하려면 무엇이 필요합니까?

원래 우리는 코로나 방출에 의해 지배되는 것으로 알고 있는 X선 파장 범위와 그 에코에 의해 지배되는 범위를 찾고 있었습니다. 우리는 이러한 범위 사이의 시간 지연을 빛이 이동하는 거리로 변환하면 대략적으로 블랙홀에 매우 가까운 가스 흐름을 매핑하는 것과 일치한다는 것을 발견했습니다. 이는 사건의 지평선 반경의 몇 배 내에 있는 것입니다.

이제 우리는 코로나 강착 디스크 시스템에 대한 다양한 시뮬레이션을 만든 다음 우리가 보는 데이터와 유사한 것을 식별하려고 노력합니다. 우리는 일반 상대론적 광선 추적 시뮬레이션을 사용하여 이를 수행합니다. 광선 추적 시뮬레이션은 모든 종류의 비디오 게임에 사용되며 동일한 종류의 원리입니다. 코로나의 모델인 점을 선택하고 그로부터 광선을 모든 방향으로 비추고 그 빛이 있는 곳을 따라갑니다. 광선이 간다. 그들 중 일부는 먼 관찰자에게로 가고, 일부는 디스크에 떨어지고 디스크를 조사한 다음 튕겨져 망원경 평면에 반사됩니다.

잔향 매핑은 이벤트 호라이즌 망원경이 블랙홀의 직접 이미지를 얻기 위해 수행한 작업과 어떻게 다릅니까?

이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope)은 우리 은하 중심의 블랙홀과 M87을 이미징하는 데 정말 놀라웠지만 실제로는 두 개의 블랙홀만 수행할 수 있습니다. 그보다 블랙홀이 어떻게 성장하는지에 대한 질문을 얻으려면 현재 활발하게 성장하고 있는 블랙홀, 아니 오히려 X선에서 극도로 빛나는 블랙홀을 살펴봐야 합니다.

우리 은하 중심에 있는 블랙홀은 활발하게 성장하고 많은 물질을 섭취하는 단계를 거쳐야 했습니다. 지금은 그렇게 하고 있지 않습니다. 이벤트 호라이즌 망원경이 직접 이미지를 촬영할 수 있는 것은 그것이 많이 성장하지 않기 때문입니다. 활발하게 성장하고 있는 블랙홀, 즉 블랙홀을 향해 돌진하는 고밀도 물질이 있는 블랙홀을 연구하려면 또 다른 기술이 필요합니다. 이것이 바로 잔향 매핑이 필요한 곳입니다.

당신이 본 것 중 특히 유익하다고 생각되는 특정 블랙홀이 있습니까?

나의 일반적인 연구 전략은 우리가 기대하는 방식으로 행동하는 블랙홀을 찾는 것입니다. 이러한 시스템의 세부 사항을 이해할 수 있고 블랙홀 주변의 기하학적 구조를 실제로 명확하게 추적할 수 있다면 블랙홀의 질량과 회전을 정밀하게 측정할 수 있습니다.

현재 제가 가장 좋아하는 것 중 하나는 MAXI J1820+070이라는 X-ray 바이너리입니다. 그것은 초대형 블랙홀이 아닙니다. 질량은 태양의 10배에 불과하다. 그것은 별과 동반계에 있고, 그 별에서 가스를 끌어당겨 강착원반과 코로나를 형성하고 있습니다. 그것은 매우 깨끗한 시스템이고 지구와 매우 가깝습니다. 이 초대형 블랙홀보다 우리에게는 약 XNUMX배 더 밝습니다.

그리고 반대로, 어떤 블랙홀이 당신에게 특히 극단적이거나 특별히 이상하다고 생각됩니까?

나는 평범한 사람들을 연구하는 것을 좋아하고 일을 시작하고 문제가 발생하는 것을 확인하는 것을 좋아합니다. 또한 정말 재미있는 점은 밤잠을 설치지 못하게 하는 이상한 시스템입니다. 도대체 자연은 어떻게 그런 일이 일어나게 하였을까요? 그리고 나를 밤잠 못 이루게 하는 원인은 ASASSN-18el인데, 이는 초대질량 블랙홀입니다.

ASASSN-18el은 다음에 의해 발견되었습니다. ASAS-SN 전천측량 평범해 보이던 블랙홀 중 하나가 갑자기 미친 듯한 폭발을 일으켰습니다. 우리는 광학, UV, 그리고 많은 X선 관찰을 통해 그것을 관찰하기 시작했고, 그것은 완전히 바나나가 되었습니다. 이러한 초기 폭발이 있었다가 꺼졌습니다. 예를 들어 광도가 4배나 감소했습니다. 그러다가 다시 켜지더니 약 1년 동안 은하계 외 하늘에서 가장 밝은 X선 광원이 되었다가 다시 꺼지기 시작했습니다. 이제 다시 켜질 수 있을 것 같습니다.

우리는 무언가가 4자리 규모로 꺼지는 데 걸리는 시간이 최소한 수백만 년이 될 것이라고 생각했습니다. 하지만 우리는 그것이 1년, 혹은 몇 달 안에 일어나는 것을 보았습니다. 어떻게 그런 일이 일어나는 걸까요?

역사적으로 우리가 활동은하핵이라고 불리는 이러한 초거대 블랙홀에 대해 알고 있던 것은 가끔씩 조사를 통해 알게 되었습니다. 하지만 이제 우리는 일주일에 두 번씩 하늘을 스캔하는 전천측량 조사를 갖고 있으며 블랙홀을 관찰하면서 그들이 무엇을 하는지 보고 있습니다. 그리고 우리가 그들을 보지 않을 때 그들은 온갖 종류의 미친 짓을 하고 있었습니다. 이제 우리는 마침내 그것을 깨닫고 있습니다.

천문학에 입문하고 블랙홀을 연구하게 된 동기는 무엇이며, 오늘날에도 계속 영감을 주는 것은 무엇입니까?

제가 천문학을 추구하면서 정말 흥미로웠던 점은 발견이라는 측면이었습니다. 수십억 년 전 블랙홀 주위에서 방출된 빛을 처음으로 본 사람이 된다는 것은 정말 짜릿한 일이었습니다. 그 놀라운. 우리 보잘것없는 인간이 이런 것들에 대해 생각할 수도 있고 함께 모여 인간의 사고가 시작된 이래로 사람들이 묻고 있는 이 거대한 근본적인 질문에 답할 수 있는 기술을 구축할 수 있다는 것이 어떻게 가능합니까?

그리고 저는 공통의 목표를 위해 사람들을 하나로 모으는 커뮤니티 측면을 좋아합니다. 우리는 "과학"이 무엇인지에 대해 이러한 생각을 갖고 있습니다. 즉, 여러분은 혼자 앉아 자신의 창의적인 천재성에 영감을 받아 이 모든 발견을 스스로 해냈다는 것입니다. 그러나 그것은 그것에 대해 매우 영감을 주는 것이 아닙니다. 나에게는 우리가 함께 일하고 서로의 전문 지식을 활용하여 우리보다 훨씬 더 큰 것을 만들 수 있다는 것입니다.