1998年 美國 워싱턴 州의 멜 워터스라는 男性은 自身이 購買한 私有地에 바닥을 알 수 없을 程度로 깊은 구멍이 있다고 主張했다. 누가, 언제, 어떤 方式으로 구멍을 팠는지 알 수 없지만, 3ｍ에서 조금 모자라는 크기의 구멍 속으로 繼續 내려가면 그 끝에는 地獄이 있다고 主張했다. 그 外에도 죽은 動物의 死體를 버리면 살아서 돌아온다는 둥 구멍에서 光線이 發射된다는 둥 라디오 放送에 出演해 여러 都市 傳說을 들려줬지만 딱히 그의 主張을 뒷받침할 만한 根據가 있진 않았다. 以後 그는 情報機關으로부터 쫓기고 있다는 所聞만 남긴 채 餘他 다른 怪談의 主人公들처럼 永遠히 자취를 감췄다. 다만, 地獄의 구멍에 對한 根據 없는 浪說만 如前히 남아있을 뿐이다. 

想像力을 動員해 그럴싸한 오컬트 推理物을 創作하는 건 즐거운 일이긴 하다. 하지만 뭣이 重한지 생각해보면 거기까지다. 代身 科學은 想像力을 뛰어넘는 경이로움을 膳賜한다. 宇宙에도 비슷한 구멍이 있기 때문이다. 바로 검은 구멍, 블랙홀이다. 天文學界에서 워낙 有名한 天體다 보니 처음 들어보는 名稱일 理는 없겠지만, 그 이름처럼 實際 구멍은 아니다. 블랙홀이라는 名稱은 美國 理論物理學者 존 휠러가 처음 言及했지만, 根本的인 槪念은 英國의 哲學者이자 아마추어 天文學者였던 존 미첼이 提示했다. ‘暗黑星’, 어두운 별 或은 죽은 별이라는 뜻이었다. 以後 프랑스의 數學者 피에르-시몽 라플라스는 重力이 너무 剛한 별이 存在한다면, 빛의 速度로 움직이는 光子조차도 빠져나오지 못할 것으로 豫測했다. 몇 年 後 빛이 波動일지도 모른다는 事實이 밝혀지자, 죽은 별의 屍體와 빛이 서로 間 相互 作用을 하기는 어려울 것이라는 雰圍氣가 100年 넘게 繼續되었다. 아인슈타인이 相對性理論을 내놓기 前까지 말이다. 

아인슈타인은 時空間이 重力의 影響을 받아 휠 수 있다고 家庭했고, 波動 形態의 빛 亦是 影響을 받으리라 믿었다. 以後 相對性理論의 方程式을 熱心히 푼 獨逸의 天文學者 카를 슈바르츠실트는 自身의 이름을 따 回轉하지 않는 블랙홀인 슈바르츠실트 블랙홀을 提案했다. 萬若 宇宙에 無限하게 큰 質量의 天體가 存在하여, 重力에 依해 莫大한 質量이 中央으로 모인다면 어떻게 될까. 아마 그 周圍에는 區 形態의 假想의 境界가 만들어질 것이다. 區의 크기를 나타내는 半지름을 슈바르츠실트 半지름이라고 하며, 어떤 것도 빠져나올 수 없는 境界를 ‘事件의 地平線’(어떤 地點에서 일어난 事件이 어느 領域 바깥쪽에 있는 觀測者에게 아무리 오랜 時間이 걸려도 아무런 影響을 미치지 못하는 時空間의 警戒)이라고 불렀다. 當時 재미있는 假說로 關心을 끌었지만, 이런 條件을 滿足하는 天體가 存在하리라는 期待는 누구도 하지 않았기에 블랙홀을 眞摯하게 硏究하거나 觀測하려는 試圖는 이뤄지지 않았다. 都市 傳說까지는 아니었지만 말이다.

블랙홀 形成의 祕密

原子爆彈의 아버지로 有名한 美國의 物理學者 오펜하이머 亦是 블랙홀에 關心이 많았는데, 1939年에 그는 當時 數學的 技倆이 뛰어났던 하틀랜드 스나이더와 함께 持續的인 重力 收縮에 關한 4쪽짜리 짧은 論文을 發表했다. 只今껏 블랙홀이라고 불리던 對象을 理論的으로 完璧하게 說明하면서, 그 存在를 처음 科學的으로 糾明해낸 轉換點이었다. 質量이 있는 모든 物質은 重力을 갖고 있다. 重力으로 인해 一般的인 별은 스스로 한 點에 모이려 애쓰지만, 漸漸 모이다 보면 構成하는 物質들이 서로 激烈하게 싸우며 에너지를 내뿜다가 더는 壓縮되지 않는 狀態에 到達한다. 出退勤 時間帶의 ‘地獄鐵’처럼 말이다. 列車가 驛에서 멈출 때마다 끊임없이 사람들이 들어오지만, 어느 限界를 넘어서면 到底히 누구도 탈 수 없게 된다. 別途 마찬가지로 죽어라 찍어 눌러 보지만, 重力조차 抛棄해버리는 時點이 온다. 그때가 되면 별은 크기를 維持하면서 한참 동안 밝게 빛나며 타오른다. 그런데 이건 太陽처럼 一般的인 別일 境遇에 그렇다. 萬若 質量이 무시무시하게 큰 별이라면, 重力이 너무 强해서 物質들이 부딪히며 밀어내는 힘 程度는 가뿐히 無視해버린다. 特히 反撥하는 過程에서 일어나는 核融合의 에너지源이 枯渴되고 나면 웬만해선 重力을 막을 수 없다. 오랜 時間에 걸쳐 默默히 한 點으로 壓縮되고 나면, 元來 크기는 사라지고 어마어마한 質量만 남은 重力 개미地獄이 되어버린다. 오펜하이머와 스나이더는 어쩌면 그들의 人生에서 가장 偉大한 業績이 될지도 몰랐던 宇宙 構成의 根本的인 發見을 덤덤한 語調로 풀어냈다.

이제 映畫나 漫畫에서 본 虛空에 소용돌이처럼 돌아가는 검은 구멍은 블랙홀이 아니라는 것을 알았다. 어쩌면 壽命을 다한 巨大한 別 하나가 重力만 남아 빨아들인다면, 검은 구멍과 비슷하게 보일 수도 있다. 하지만 宇宙에 存在하는 별들은 커플 天地다. 甚至於 三角關係나 그 以上의 막장度 흔하다. 1963年 뉴질랜드의 科學者 로이 커는 두 個의 별에서 블랙홀이 만들어지는 境遇를 最初로 發見했고, ‘커 블랙홀’이라고 이름을 붙였다. 巨大한 수박 두 桶처럼 생긴 두 個의 별 中에 한 녀석이 블랙홀로 變하게 되면, 나머지 녀석의 物質은 靑素旗의 全員 코드 線을 감을 때처럼 뱅뱅 돌면서 옆 親舊에게 빨려 들어간다. 그 過程에서 마치 레코드板 模樣으로 블랙홀 周邊을 감싸게 되는데, 이걸 降着圓盤이라고 부른다. 서로 빨려 들어가려고 物質들끼리 싸우다 보면 이때 摩擦로 인해 에너지가 放出된다. 우리는 이 에너지를 觀測하여 비로소 블랙홀의 存在를 確信할 수 있었다. 클럽 디제이의 디스크처럼 멋지게 돌아가는 블랙홀의 모습이 궁금하다면, 映畫 ‘인터스텔라’에서 만나볼 수 있다. 勿論 映畫에 登場하는 블랙홀, 가르강튀아를 비롯하여 只今까지 봐왔던 모든 블랙홀은 그저 想像을 基盤으로 만든 이미지일 뿐이었다. 이제 人類는 블랙홀의 直接的인 觀測을 꿈꾸게 됐다.

블랙홀 觀測에 成功한 科學者들

우리 銀河 中心에는 아주 巨大한 블랙홀이 存在한다. 블랙홀을 質量으로 區分하면 두 가지 程度로 나눌 수 있다. 바로 恒星質量 블랙홀과 巨大質量 블랙홀이다. 前者는 太陽보다 數十 倍假量 무겁고, 後者는 數十萬 배에서 數十億 倍에 이를 만큼 훨씬 무겁다. 우리 銀河 中心, 弓手자리 A별 近處에 있는 블랙홀은 後者이면서 地球에서 가장 가깝다. 또 硏究할 만한 녀석은 處女자리 銀河團의 M87 銀河 中心에 있는 巨大質量 블랙홀이다. 宏壯히 멀리 있긴 하지만, 그만큼 커서 地球에서 보이는 크기는 둘 다 비슷하다. 두 블랙홀의 事件의 地平線 크기는 2008年과 2012年에 各各 여러 望遠鏡의 干涉計를 통해 測定됐다. 하지만 分解能이 낮아 제대로 觀測했다고 보기는 어려웠다. 둘 中에 먼저 볼 녀석을 골라 제대로 봐야 했다. 

2009年 드디어 ‘事件의 地平線 望遠鏡 프로젝트’가 始作되었다. 여러 地域의 觀測施設을 同時에 使用해 마치 地球 크기의 望遠鏡을 만들어낸 것이다. 觀測 對象은 于先 M87 銀河로 決定됐다. 南半球와 北半球에서 同時 觀測이 可能하며, 무거워서 周邊에서 나오는 빛의 밝기가 比較的 천천히 變하기 때문이었다. 南極 望遠鏡을 包含, 總 8代의 望遠鏡으로 우리나라에서 美國 居住者의 코털을 셀 수 있을 程度의 分解能을 만들어냈다. 그리고 2019年 4月, 地球에서 5,500萬 光年 떨어진 곳에서 블랙홀 그림자가 最初로 直接 觀測됐다. 全 世界 約 100個 硏究機關에 所屬된 300名이 넘는 科學者들이 參與했고, 特히 韓國의 젊은 科學者 김준한 博士와 韓國天文硏究院의 손봉원 博士 等 國內 硏究者도 여럿 成功에 이바지했다. 

블랙홀의 그림자를 봤지만, 如前히 解決해야 할 難題는 남아있다. 시뮬레이션을 통해 만들어낸 블랙홀의 그림자는 實際로 찍은 結果와 비슷했지만 分明히 보이는 몇 가지 差異點은 追加的인 硏究가 必要하다. 또한, 恒星質量 블랙홀과 比較하면 巨大質量 블랙홀은 너무 무거워 어떻게 짧은 時間 동안 그렇게 무거워질 수 있는지 도무지 알 수 없다. 多幸히 지난해 6月, 서울大 우종학 敎授 硏究팀은 빛의 메아리 效果를 利用해 中間質量 블랙홀의 存在를 觀測했고, 2016年부터 只今까지 꾸준히 重力波를 통해 새로운 블랙홀 觀測의 地平을 열고 있는 레이저 干涉計 重力波 觀測所度 最近 太陽의 142倍에 達하는 블랙홀의 形成 過程을 捕捉했다. 수많은 努力 끝에 그림자를 봤지만, 如前히 블랙홀은 宇宙에서 가장 신비로운 天體 中 하나다. 언제가 全혀 새로운 方式으로 宇宙의 검은 구멍을 直接 볼 수 있게 된다면, 적어도 그 구멍은 人類를 地獄이 아닌 知識의 玉座로 引導할 것이 確實하다.


_{軌道_연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}