미국 항공우주국(NASA)이 새 X선 망원경을 발사했다. 이를 통해 ‘블랙홀 안에 무엇이 있는가?’, 그리고 ‘펄서(pulsar, 강력한 전자기파와 자기장을 내뿜는 중성자별)가 얼마나 밝아질 수 있는가?’ 같은 질문들의 답을 찾는 데 도움을 주고자 한다.

12월 9일(현지 시각), NASA는 ‘이미징 X선 편광측정 관측선(Imaging X-ray Polarimetry Explorer, IXPE)’을 플로리다에 있는 NASA의 케네디 우주센터(Kennedy Space Center)에서 팰컨9(Falcon 9) 로켓에 실어 발사했다. IXPE는 편광을 측정할 수 있는 첫 번째 X선 망원경이 될 전망이다. 여기서 ‘편광(polarization)’이란 전기장과 자기장이 특정한 방향으로만 진동하는 빛을 뜻한다.

X선은 전자기파로 구성된 고에너지 광파로, 우주에 특히 풍부하게 존재한다. 우리가 주변에서 보는 대부분의 빛은 전기파와 자기파가 특정한 방향성을 가지지 않고 사방으로 뻗어나간다. 한편 전자기파가 한쪽 방향을 향하는 ‘편광’은 상호작용하는 물질의 자기장과 화학 구성 같은 정보를 전달할 수 있으므로 유용하다.

IXPE는 세 개의 망원경을 싣고 있으며, 각각의 망원경은 거울 한 세트와 빛의 방향, 도달시간, 에너지, 편광까지 빛의 네 가지 성질을 추적하고 측정할 수 있는 탐지기를 가지고 있다. 탐지기로 들어오는 X선에 관한 데이터를 결합해 이미지를 만든다. 과학자들은 IXPE의 이미지를 이용하여 각기 다른 천체의 환경과 그 천체 내부에 존재하는 것들에 관한 이론을 정제하고자 한다.

예를 들어, IXPE는 블랙홀이 회전하는 이유에 관한 새로운 단서를 제공할 수도 있고, 매우 빠르게 회전하고 있는 중성자별을 품고 있는 ‘게 성운’ 같은 천체의 독특한 구조와 특성에 대해 더 많은 것을 드러낼 수도 있다.

IXPE는 발사 후 2년 동안 우주에서 가장 활발한 천체로 알려진 것들 중 50개 이상을 관찰할 예정이며, 그러한 천체에는 은하수 한가운데 자리잡고 있는 우리은하의 거대한 블랙홀도 포함되어 있다. 이러한 모든 천체는 X선을 방출하므로 편광을 측정하면 IXPE가 그것들을 자세히 관찰할 수 있을 것이다.

NASA의 마셜 우주 비행 센터(Marshall Space Flight Center)의 X선 천체 연구 과학자이자 IXPE 프로젝트의 연구 책임자 마틴 바이스코프(Martin Weisskopf) 박사는 “IXPE는 은하 안팎에 있는 환상적인 중성자별들과 블랙홀 시스템을 관찰할 것”이라고 밝혔다.

바이스코프는 특히 이러한 천체들이 강력한 자기장을 가지고 있는지 알아내는 데 관심이 있다. 이러한 작업은 다른 기구로도 수행할 수 있지만 IXPE를 이용하면 더 수월할 것이다. 미국 앨버타대학교의 부교수 그레고리 시바코프(Gregory Sivakoff)는 IXPE가 발견하는 것들은 많은 내용을 함축하고 있을 것이며, 특히 블랙홀에 대한 우리의 이해를 넓혀줄 것이라고 말했다.

시바코프는 “블랙홀의 특성 중에 측정할 수 있는 것은 세 가지뿐인 것으로 드러났다. 블랙홀의 무게, 회전, 전하가 그것이다. 블랙홀의 회전을 측정할 새로운 방법을 제시해줄 IXPE의 능력에 관심이 있으며, 특히 IXPE를 이용하면 시간에 따라 블랙홀의 회전에 어떤 변화가 있는지 확인할 수 있지 않을까 기대하고 있다”고 밝혔다.

블랙홀은 우주에 있는 암흑물질의 40% 정도를 차지하고 있지만, 최근이 되어서야 천문학자들은 블랙홀 하나의 사진을 겨우 찍을 수 있었다. IXPE가 가져올 데이터를 이용하면 블랙홀이 한때 활발하게 주변의 별들을 집어삼켰는지 알아낼 수 있을 것이고, 과학자들이 블랙홀 주변에 있는 입자들을 연구하는 데도 도움이 될 것이다. X선 편광을 이용하면 블랙홀의 각운동량, 회전을 측정하여 블랙홀의 내부 경계 지도를 만들 수도 있을 것이다.

거대 블랙홀과 중성자별은 빠르게 살다가 일찍 죽은 거대한 별의 잔해이므로 IXPE가 앞으로 수행할 임무를 통해 블랙홀과 중성자별을 연구하면 은하가 진화하는 방식에 관한 이해도 넓혀줄 수 있을 것이라고 시바코프는 덧붙였다.

매사추세츠 공대(MIT)의 카블리 천체물리학 우주연구소(Kavli Institute for Astrophysics and Space Research)의 연구 과학자이자 IXPE의 공동 연구자이기도 한 허먼 마셜(Herman Marshall)은 편광측정이 “은하의 보이지 않는 부분으로 거울을 올려서 보는 것”과 같다고 설명했다. 과학자들은 IXPE가 별들을 관찰하려고 할 때 우리은하가 개의치 않고 비밀 몇 가지를 내주기를 바라고 있다.