이토록 선명한 블랙홀 사진은 없었다... 인공지능의 도움!

인공지능의 도움을 받아 보정한 블랙홀의 모습

이토록 선명한 블랙홀 사진은 없었다... 인공지능의 도움!

과학사에서, 블랙홀만큼 극적인 천체가 있을까요.

 

사실 블랙홀은 얼마 전까지만 해도 가상의 천체에 가까웠습니다. 아인슈타인 시대에는 블랙홀이란 그냥 말도 안 되는 천체로 여겨졌죠.

아인슈타인의 '일반상대성 이론'을 발표했을 때, 한 청년이 그의 방정식의 해 중 하나가 이상한 결론을 낸다는 것을 발견했습니다.

 

그 청년 과학자의 이름은 슈바르츠실트였는데요. 그가 발견한 방정식의 해는, 아주 높은 질량을 지닌 천체가 특정 반지름 이하로 수축하면, 빛조차도 빠져나갈 수 없는 천체를 만든다는 것을 발견해냈죠.

그 반지름의 크기를 '슈바르츠실트 반지름'이라고 하는데요. 아인슈타인은 자신의 방정식 중 하나가 이런 이상한 천체를 예측한다는 것을 보고는, 그것을 애써 무시해버렸습니다.

 

이 슈바르츠실트라는 천재는 1차 세계대전에 나가서 안타깝게 전사하고 맙니다. 

 

그 후 몇십 년이 지나고, 이제는 블랙홀이라는 게 존재한다는 건 당연한 상식이 되어버렸고, 심지어 그것을 관측할 수 있는 경지에까지 왔습니다. 

 

거기에 더해서 인공지능의 도움을 받아 이미지를 더욱 선명하게 보정할 수 있는 단계까지 왔죠.

이런 것을 보면, 인간이라는 존재가 얼마나 위대한지를 다시 한번 느끼게 됩니다. 횟집에서 자기 지지자들과 함께 히히덕거리며 술 마시고 사람들 도열해 있는 가운데 일일히 악수하고 있는 사람들만 있는 건 아니라는 이야기죠.

 

어쨌든 저 위의 사진은 그러한 인간의 위대한 업적을 보여주고 있습니다. 블랙홀은 그 자체로 빛조차 빠져나갈 수 없는 강력한 중력을 지닌 천체이기에, 육안으로 볼 수 없습니다.

 

그러나 블랙홀 주변으로 빨려들어가는 가스나 성간 물질 등, 그리고 블랙홀이 내뿜는 '호킹 복사' 같은 것들은 관측할 수 있죠. 또한 블랙홀은 강한 중력 때문에 '중력 렌즈' 효과를 일으켜, 그 주변으로 중력에 의해 왜곡된 빛들이 관측되기도 합니다. 바로 저 위의 사진은 그러한 블랙홀의 장엄한 광경을 보여주고 있습니다.

 

저 위의 사진은 지난 2019년에 공개되어 과학계를 놀라게 한 블랙홀의 이미지입니다. 이 첫 이미지가 컴퓨터 기계학습의 도움을 받아 더욱 날카롭고 선명해졌습니다.

 

'사건지평선망원경'(EHT)이 잡아낸 이 이미지는 빛도 빠져나오지 못하는 블랙홀의 그림자를 처음으로 담아냈습니다.

그러나 과학자들은 '다소 흐릿한 오렌지 빛깔 도넛(fuzzy, orange donut)'으로 부를 만큼 선명하지는 못했지요.

 

프리모라는 기계학습 알고리즘 개발

이에 불만을 느낀 천체물리학자 리아 메데이로스의 연구팀은 '프리모'(PRIMO)라는 기계학습 알고리즘을 개발했습니다. 그리고 M87 은하의 중심에서 포착한 초대질량블랙홀의 이미지를 보정한 새 이미지를 '천체물리학저널 회보'(The Astrophysical Journal Letters)에 발표했습니다.

 

새 이미지에서는 강착 가스가 만들어낸 오렌지 원반 빛 부위가 더욱 가늘어졌습니다. 그리고 중앙의 블랙홀 부분도 더 크고 동그랗고 어둡습니다.

 

선명해진 새 이미지 덕분에 M87 블랙홀의 질량이나 다른 물리적 성질들을 더 정확히 측정하고 연구할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

지구에서 약 5천300만 광년 떨어진 처녀자리 은하단의 M87 은하 중앙에 자리 잡은 M87 블랙홀은 EHT에 처음으로 실제 윤곽이 잡힌 첫 블랙홀입니다. 이는  과학사에 남은 획기적 성과이죠.

 

하지만 이 망원경은 전파망원령 7대를 연결해서 지구 크기의 망원경과 같은 성능을 내도록 했는데, 하나의 망원경이 성능이 떨어져 빠진 공백이 있어, 관측 자료도 공백이 있었습니다.

연구팀은 "EHT로 관측한 자료는 지구 크기의 거대한 단일 전파망원경으로 이미지를 만들 때와 비교해 빠진 부분이 있는데, 프리모는 이를 메울 수 있는 방법을 제공해 준다"고 설명했습니다.

 

프리모는 다량의 학습 자료를 토대로 규칙을 생성할 수 있게 개발됐는데, 3만건이 넘는 블랙홀의 가스 강착 시뮬레이션 이미지를 분석했다고 합니다.

프리모 기계학습에 이용된 가스강착 블랙홀 시뮬레이션 이미지

연구팀은 프리모를 활용해 보완한 이미지가 EHT 관측 자료 및 이론적 예상치와도 일치한다고 밝혔습니다.

 

논문 공동 저자인 조지아공과대학의 디미트리오스 프살티스 박사는 "EHT를 통해 블랙홀의 첫 이미지가 공개된 지 거의 4년 만에 해상도를 최대로 끌어올린 이미지를 만들어내는 또다른 이정표를 세웠다"면서 "우리가 개발한 새로운 기계학습 기술은 블랙홀 물리학을 이해할 수 있는 황금 기회를 제공한다"고 했습니다.

 

프리모는 우리은하 중심에 있는 궁수자리 A*를 비롯해 EHT로 관측한 다른 블랙홀에도 적용할 수 있는 것으로 제시됐습니다.