빛의_메아리효과가 무엇인가요?

#빛의_메아리효과 뭔소리인가요?

 

보도자료를 냈더니 기자들이 어려워하는 내용이 있습니다. 누구나 그럴듯해서 설명을 붙여봅니다.

 

1. 블랙홀로 빨려들어가는 물질은 사건지평선을 넘어 블랙홀 안으로 사라지기 전에 빛을 냅니다. (중심의 까만 블랙홀 바로 바깥쪽에 노란색 영역이죠. 물론 직접 본 적은 한 번도 없습니다. 아티스트의 그림입니다)

 

2. 빨려들어가는 물질은 빠른 속도로 회전하다가 블랙홀로 들어가기 때문에 강착원반(accretion disk)이라고 부릅니다. 마찰로 가열되기 때문에 강력한 빛을 냅니다.

 

3. 그 빛은 빨주노초파남보 무지개처럼 연속적입니다. 엑스선, 자외선, 적외선도 방출합니다. 그래서 이 빛을 연속선이라고 부릅니다.

 

4. 블랙홀에 빨려들어가지 않을만큼 쪼~금 떨어진 곳에 가스구름이 있습니다. (그림에 붉은 색으로 되어 있습니다) 지구가 태양 주위를 공전하듯 블랙홀 주변을 회전운동합니다.

 

5. 이 가스구름은 강착원반에서 나오는 빛을 받아서 반사시킵니다. 정확하게 말하면 강착원반의 빛이 가스구름의 수소 원자 등을 들뜨게 만들어 빛을 내게 합니다.

 

6. 수소원자가 내는 빛은 색깔이 정해져 있습니다. 파장이 딱 정해진 빛이 나옵니다. 가령 656나노미터 파장의 빛이 나오는데 H alpha 선이라고 합니다. 무지개와 달리 연속적이지 않고 특정한 파장의 빛이라서 방출선(emission line)이라 부릅니다. 그리고 가스구름이 있는 지역을 방출선영역이라고 부릅니다.

 

7. 강착원반에서 나오는 빛이 지구까지 도착하는데 t 만큼 시간이 걸립니다. 이번 블랙홀은 1천 4백만 광년 거리에 있으니 t=1천4백만년입니다.

 

8. 강착원반에서 나온 빛이 회전하는 가스구름 방출선 영역까지 가는데 d t 만큼 시간이 걸린다고 하면 (재어 보니 80분입니다)

 

9. 방출선의 빛은 t + dt 시간이 지나서 지구에 도착합니다. (1천 4백만년 + 80분 걸립니다)

 

10. 산에 가서 야호~하면 조금 있다가 야호~라는 소리가 반사되어 들리듯 연속선과 방출선 사이에 시간지연이 있습니다.

 

11. 그래서 회전하는 가스구름에서 반사된 빛이 지구에 늦게 도착하는 현상을 빛의 메아리 효과라고 부릅니다.

 

12. 연속선에 비해 방출선이 얼마나 늦게 도착하는지 그 시간을 재면, 그 시간은 빛이 강착원반에서 방출선 영역까지 이동하는데 걸리는 시간입니다.

 

13. 블랙홀로 빨려들어가는 물질이 내는 빛은 불규칙하여 밝기가 마구 변합니다. 즉, 연속선의 광도가 변한다는 말입니다.

 

14. 마찬가지로 그 빛이 가스구름에 반사되는 방출선의 밝기도 똑같이 변합니다.

 

15. 그런데 시간차가 있기 때문에 연속선과 방출선의 밝기 변화의 패턴은 시간차를 보입니다.

 

16. 지구에서 블랙홀을 계속 관측해서 연속선이 어떻게 변하는지 광도곡선을 구합니다. 방출선이 어떻게 변하는지 그 광도곡선도 구합니다.

 

17. 두 개의 광도곡선을 비교하면 연속선에 비해 방출선의 광도곡선이 (앞으로, 그러니까 시간이 더 지난 쪽으로) 밀려있는 모습을 볼수 있습니다. 시간차 때문이지요.

 

18. 이 두 광도곡선을 비교분석하면 시간차를 측정할 수 있습니다.

 

19. 이번 블랙홀의 메아리 효과를 측정했더니 80분으로 나왔습니다.

 

20. 블랙홀로 빨려들어가는 빛이 회전하는 가스구름까지 이동하는데 80분이 걸렸다는 말입니다. 그리고 가스구름이 내는 빛은 그만큼 지구에 늦게 도착합니다.

 

21. 시간차로 측정한 가스구름까지 거리와 스펙트럼에서 측정한 가스구름의 속도, 이 두가지를 가지고 뉴턴의 법칙으로 블랙홀의 질량을 구합니다. 블랙홀 때문에 가스가 빠르게 전하는 거니까요.

 

이해가 잘 되시는지?