블랙홀 100年 만에, 理論에서 實在가 되다[세상을 바꾸는 科學/윤성철]

東亞日報
入力 2022年 6月 27日 03時 00分

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天文學者가 본 ‘블랙홀의 世界’

‘사건지평선망원경(EHT)’ 국제공동연구팀이 지난달 12일 공개한 우리 은하 중심부의 초대질량 블랙홀 모습(위쪽 사진). 가운데
검은 부분은 블랙홀이 빛을 가려 만든 그림자이며 고리의 빛나는 부분은 블랙홀의 중력에 의해 휘어진 빛이다. 이번 연구에 사용된
전파망원경 중 하나인 칠레 아타카마사막의 ‘알마(ALMA)’. 사진 출처 유럽남방천문대(ESO), 유럽우주국(ESA) — ‘事件地平線望遠鏡(EHT)’ 國際共同硏究팀이 지난달 12日公開한 우리 銀河中心部의 初代質量 블랙홀 모습(위쪽 寫眞). 가운데 검은 部分은 블랙홀이 빛을 가려 만든 그림자이며 고리의 빛나는 部分은 블랙홀의 重力에 依해 휘어진 빛이다. 이番硏究에 使用된 電波望遠鏡中 하나인 칠레 아타카마沙漠의 ‘알마(ALMA)’. 寫眞出處 유럽南方天文臺(ESO), 유럽宇宙局(ESA)

우리 銀河中心에 있는 블랙홀의 實際 이미지가 最近捕捉됐다. 韓國天文硏究院, 慶北大, 서울대, 연세대의 國內天文學者들도 參與하고 있는 ‘事件地平線望遠鏡(EHT·Event Horizon Telescope)’ 國際共同硏究팀이 이루어 낸 成果다.

‘검은 구멍’이라는 뜻의 블랙홀은 重力이 매우 剛한 物質이 만들어 내는 現象이다. 이런 現象이 發生하는 理由는 그 中心의 重力이 너무나도 强해 빛조차도 빠져나올 수 없기 때문이다. 외딴 곳에 블랙홀이 홀로 있다면 빛을 통해 그 存在를 直接的으로 確認할 수 없을 것이다. 하지만 빛을 放出하는 物質이 블랙홀 周邊을 둘러싸고 있다면 이야기가 달라진다.

例를 들어 흰 종이 한가운데에 송곳으로 구멍을 뚫은 後 바라보면 어떻게 보일까? 종이 表面은 反射된 빛으로 인해 우리 눈에 하얗게 보이지만 구멍이 뚫린 곳에는 빛이 通過만 하고 反射되지 못하기에 검은 點으로 보일 것이다.

EHT 硏究팀이 우리 銀河中心部에 있는 初代質量 블랙홀의 이미지를 얻은 過程도 이와 비슷하다. 이 블랙홀은 水素와 헬륨 等의 가스로 둘러싸여 있다. 그런데 圓盤形態의 이 가스는 電波領域에서 밝은 빛을 放出하고 있다. 이에 빛이 放出되지 않는 가운데 領域인 블랙홀을 直接的으로 確認하는 것이 可能했던 것이다.

이番에 捕捉된 블랙홀의 質量은 太陽의 430萬倍에 達한다. 하지만 이 블랙홀의 半徑은 不過 2200萬 km로 太陽과 水星 사이의 距離인 3600萬 km보다도 작다. 앞서 EHT 硏究팀은 2019年에도 우리 銀河에서 5300萬光年 떨어져 있는 ‘M87’ 銀河의 中心에 있는 巨大 블랙홀의 이미지를 捕捉한 적이 있다. 이 블랙홀은 質量이 太陽의 65億倍에 達하고 半徑은 우리 銀河中心 블랙홀의 無慮 2000倍에 達한다. 하지만 M87 銀河의 全體 크기에 비하면 티끌보다 작은 點에 不過하다.

事實 이렇게 ‘작은’ 블랙홀을 보기 위해서는 解像度가 좋은 望遠鏡이 必要하다. 解像度는 望遠鏡의 크기가 클수록 높아진다. 地球 지름과 맞먹는 巨大한 電波望遠鏡이 있다면 地上에서 달 表面의 오렌지 한 個를 識別할 수 있는 精密한 解像度를 具現할 수 있다. EHT 硏究팀은 이를 爲해 全世界에 퍼져 있는 여러 個의 電波望遠鏡을 連結해 地球 크기에 該當하는 電波干涉計 시스템을 構築했다. 이런 假想의 巨大한 電波望遠鏡을 통해 마침내 블랙홀의 이미지를 얻어낼 수 있었다.

미국항공우주국(NASA)이 지난해 12월 우주로 보낸 ‘제임스 웹 우주망원경(JWST)’. 외계 생명체에 대한 실마리를 포착할 것으로 기대하고 있다. 사진 출처 위키피디아 — 美國航空宇宙局(NASA)이 지난해 12月宇宙로 보낸 ‘제임스 웹 宇宙望遠鏡(JWST)’. 外界生命體에 對한 실마리를 捕捉할 것으로 期待하고 있다. 寫眞出處 위키피디아

블랙홀의 存在는 이미 100餘年前인 1915年獨逸의 數學者 카를 슈바르츠실트가 一般相對性理論方程式의 解를 求하는 過程에서 豫測한 것이었다. 그 以後 수많은 學者가 블랙홀 質量 및 各運動量에 따라 블랙홀 周邊의 物理的環境이 어떻게 달라지는가를 硏究해 왔다.

이番觀測은 우리 銀河中心의 巨大 블랙홀의 特性을 깊이 理解하고 一般相對性理論의 다양한 豫測을 精密하게 檢證할 수 있는 길을 열어주었다. 이를 통해 巨大 블랙홀이 어떤 方式을 통해 形成되었는지, 그리고 우리 銀河의 形成과 進化에 어떤 影響을 주어왔는지 좀 더 분명하게 理解하게 될 것이다.

블랙홀은 科學者의 大衆講演에서 가장 人氣 있는 主題다. 日常에서 볼 수 없는 奇怪한 現象이기 때문일 듯하다. 블랙홀은 人類에게 새로운 經驗을 膳賜해 주었다. 이는 科學의 役割 및 宇宙探査의 理由가 무엇인지를 새삼 깨닫게 하기도 한다.

科學의 役割은 크게 두 가지다. 하나는 다양한 經驗的現象을 自然法則을 통해 說明하는 것이고 다른 하나는 經驗世界의 地平을 넓히는 일이다. 電子로 인해 或者는 科學이 고리타분한 作業이라고 생각한다. 어떤 現象이 說明되면 더 以上神祕롭地 않기 때문이다. 무지개, 별, 生命等 한때는 神聖한 領域에 屬했던 일들이 모두 科學의 이름으로 說明됐고, 世俗化됐다. 누군가는 그 代價로 人類가 燦爛한 科學技術文明을 成就했기에 그만한 價値가 있다고 判斷할 것이고, 다른 누군가는 神話와 판타지의 浪漫을 如前히 그리워할 것이다.

하지만 科學의 眞正한 價値는 單純히 經驗的現象을 說明하고 이를 통해 實用的인 技術을 開發하는 데 머물지 않는다. 블랙홀의 例에서 볼 수 있듯 科學은 神話와 판타지 못지않게 우리의 마음을 뜨겁고 설레게 할 수 있다. 科學은 人類가 한 番도 겪어보지 못한 새로운 世界로 우리를 案內해 주기 때문이다.

天動說에서 벗어난 廣闊한 宇宙도, 重力에 依해 時空間이 휘어지는 일도, 빅뱅도, 블랙홀도 모두 한때는 판타지와 같은 일이었다. 科學은 ‘論理的推論’, 그리고 ‘創意的實驗 및 觀察’이라는 두 個의 날개를 통해 有限한 人間의 限界를 넘어서왔다.

처음으로 望遠鏡을 통해 天體를 觀測한 갈릴레오 갈릴레이는 人類가 太陽系 밖의 廣大한 宇宙로 나아갈 수 있는 길을 열어 주었다. 英國의 天文學者 아서 에딩턴은 太陽의 重力場으로 因해 별빛이 휘어지는 現象을 觀測함으로써 一般相對性理論을 판타지에서 現實世界로 끌어왔다. 美國의 天文學者 아노 便紙어스와 로버트 윌슨의 宇宙背景輻射發見은 甚至於人間의 經驗을 빅뱅으로까지 擴張시켜 주었다.

EHT 硏究팀이 捕捉한 블랙홀 이미지를 통해 이제 우리는 블랙홀도 經驗하고 있다. 블랙홀은 如前히 神祕하고 理解하기 어렵지만, 블랙홀을 體驗하는 時代에 살게 된 것이다.

21世紀의 宇宙探査는 또 다른 새로운 世上으로 人類를 引導할 것이다. 例를 들어 지난해 末發射돼 話題가 된 ‘제임스 웹 宇宙望遠鏡(JWST)’은 外界行星에도 生命이 있다는 證據를 早晩間人類에게 안겨줄 可能性이 적지 않다. 21日에는 韓國型發射體 누리號(KSLV-Ⅱ)의 成功에 모두가 기뻐했다. 韓國도 이제 主導的인 宇宙探査에 나설 準備가 됐음을 알리는 里程標였다. 이렇게 우리의 地平은 擴張되고 있다.
윤성철 서울대 物理天文學部敎授

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