宇宙의 검은 秘密 블랙홀의 모든것

2020 노벨물리학상 집중 탐구!
블랙홀의 모든 것

2020 노벨물리학상 해설 강연은
《남극점에서 본 우주》의 저자,
실험 천문학자 김준한 박사님께서
칼텍에서 보내주신 반가운 편지입니다.

캘리포니아 시각 10월 6일 오전 2시 55분, 예정보다 10분 정도 늦게 올해의 노벨 물리학상 발표가 시작되었다.

올해의 상은 우주의 가장 검은 비밀에 관한 것입니다.
This year’s prize is about the darkest secrets of the universe.

왕립 스웨덴 과학한림원의 조란 한슨이 입을 떼자, 수상자들의 이름을 듣기도 전부터 가슴이 두근거렸다. 작년에 이어 올해도 천문학, 천체물리학 분야에 물리학상이 돌아간다는 사실에 놀랐기도 하고, 그의 표현은 의심할 나위 없이 블랙홀에 관한 연구를 뜻했기 때문이다.
2020년 노벨 물리학상은 옥스퍼드대학교의 로저 펜로즈(Roger Penrose)에게 절반, 막스 플랑크 우주 물리 연구소와 캘리포니아대학교 버클리의 라인하르트 겐젤(Reinhard Genzel)과 캘리포니아대학교 로스앤젤레스의 안드레아 게즈(Andrea Ghez)에게 다른 절반이 돌아갔다.
펜로즈는 “블랙홀 형성이 일반상대성이론의 결정적인 예측임을 발견한” 공으로, 겐젤과 게즈는 “우리은하 중심에 자리 잡은 아주 질량이 큰 고밀도 천체를 발견한” 공으로 상을 받게 되었다.

 

보이지 않는 별?

우주의 가장 검은 비밀, 블랙홀에 관한 이론적인 논의는 18세기까지 거슬러 올라간다. 1700년대 후반, 영국의 존 미첼과 프랑스의 피에르 시몽 라플라스는 빛의 속력으로 움직이더라도 탈출하지 못하는 강한 중력을 가진 ‘보이지 않는 별’에 대한 계산을 선보인다. 블랙홀이라는 단어가 등장하기 전의 일이다.
지금의 기술에 비하면 보잘것없지만, 망원경의 성능이 향상되면서 여러 쌍성(雙星)들이 새롭게 관측되던 배경이 역할을 했다. 나름의 결론에 도달했지만 그들의 연구는 고전적인 뉴턴 역학에 기초한 것이었으며 그들은 진공에서 빛의 속력이 일정하다는 사실도 알지 못했다.

1915년, 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하고 나서야
우리는 중력을 시공간의 기하학적 특성으로 기술할 수 있게 된다.

 

퀘이사의 발견

한편 캘리포니아 공과대학에서 연구하던 네덜란드 출신의 마르텐 슈미트(Maarten Schmidt)는 1963년, 3C273이라는 퀘이사를 발견한다. 퀘이사는 전파로 관측되는 동시에, 가시광선으로는 별처럼 점으로 보이던 천체였다. 전파 관측 기술이 발전하면서 다양한 전천(全天) 탐사가 이루어지고 슈미트가 사용했던 팔로마산 200인치(약 5미터) 구경의 망원경처럼 큰 광학 망원경들이 제작되던 시기였다.

퀘이사 3C273 ⓒ ESA/Hubble & NASA

대부분의 별은 전파 영역에서 밝게 보이지 않기 때문에 퀘이사는 궁금증을 자아냈다. 스펙트럼을 찍어 분석하니, 3C273은 우리은하 바깥에 멀리 떨어진 천체였다. 그리고 보통 은하의 모든 별빛을 합한 것보다도 훨씬 큰 에너지를 내뿜기에 약 20억 광년 거리에서도 밝게 관측할 수 있었다는 사실을 알게 되었다.

도대체 어떤 물리적 현상으로 이렇게 큰 에너지를 방출하는 것일까?

 

블랙홀의 특이점

태양 질량의 수백만 배 이상 되는 큰 질량의 별이 에너지원일 수 있지 않을까 하는 가설이 논의되었지만, 그러한 천체는 중력적으로 굉장히 불안정할 것이었다. 실제로 1900년대 중반부터, 별과 같은 구형의 물질 분포가 어떻게 중력에 의해 수축하여 붕괴를 겪게 되는지는 로버트 오펜하이머(Robert Oppenheimer)를 비롯한 물리학자들의 관심 대상이었다.
오펜하이머가 제자인 하트랜드 스나이더(Hartland Snyder)와 발표한 연구에서, 그들은 구형의 별이 중력 붕괴를 겪고 나면 블랙홀 한가운데에 부피가 0에 가까워져 무한한 밀도를 갖는 특이점이 생긴다는 것을 예측했다. 하지만 그들이 가정했던 별의 모습은 이상적인 구형에 가까웠고 회전도 하고 있지 않으며 다른 외부의 영향이 없는, 우주에서 실제 존재한다고 믿기는 어려운 조건들을 포함하고 있었다.
이 사실을 살핀 펜로즈는 구형 대칭 조건이 없는 경우를 고려해 1965년 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’에 <중력 붕괴와 시공간의 특이점들(Gravitational Collapse and Space-Time Singularities)>이라는 논문을 발표한다. 그는 논문에서 위상수학의 기법을 활용해 모든 블랙홀은 내부에 특이점을 갖는다는 특이점 정리(singularity theorem)를 증명한다. 펜로즈는 우주 어디든 있을 수 있는 중력으로 뭉친 회전하는 천체가 일반상대성이론에 따라 빛이 탈출하지 못하는 조건을 만족하는 블랙홀과 그 경계 안쪽에 특이점을 만들 수 있음을 이론적으로 밝혀낸 것이다.

 

우리은하의 블랙홀을 찾아서

지금까지 살펴본 것처럼 천문학에서 관측은 다양한 이론을 낳고, 이론은 다시 관측으로 검증된다. 퀘이사의 발견과 함께 1969년, 도널드 린든-벨(Donald Lynden-Bell)과 마틴 리스(Martin Rees)는 우리은하 한가운데에도 블랙홀이 있지 않을까 하는 추측을 제시한다.
1990년대 초부터 겐젤과 게즈는 유럽과 미국에서 각각의 그룹을 이끌고 우리은하 중심을 관측해왔다. 그들은 적외선 파장대의 빛을 사용했는데, 눈에 보이는 가시광선은 우리와 우리은하 중심 사이의 성간먼지들에 흡수 또는 산란되어 결국 시야가 가로막히기 때문이다. 지상 망원경을 이용한 적외선 관측은 우리은하 중심의 블랙홀을 직접 들여다보기에는 분해능이 충분하지 않았지만, 블랙홀 주변을 공전하는 별들의 운동을 정밀하게 포착할 수 있었다.

우리은하 중심을 관측하고 있는 VLT 망원경 ⓒ ESO/Y. Beletsky

특히 유럽에서 운영하는 칠레 VLT(Very Large Telescope)나 하와이 마우나케아산 꼭대기 켁(Keck) 망원경과 같은 10미터급 대형 망원경들을 사용하고, 적응광학이라는 최첨단 기술의 도움으로 훌륭한 관측 자료를 얻었다. 지상의 광학 망원경은 지구 대기의 영향으로부터 자유로울 수 없는데, 적응광학은 대기에 의한 별빛의 흔들림을 보정해서 안정된 상을 만든다.

우리은하 중심 부근에서 별들의 운동 ⓒ UCLA Galactic Center Group

두 그룹이 우리로부터 2만 6,000광년 떨어진 우리은하 한가운데를 지금까지 30여 년에 걸쳐 관측한 결과, 여러 별들이 보이지 않는 한 점을 초점으로 하여 공전하고 있음을 확인하게 되었다. 마치 태양계에서 행성들이 태양 주위를 공전하듯이, 별들도 블랙홀 주위를 돌고 있었던 것이다. 게다가 S0-2(S2)라는 별은 블랙홀에 가장 가까울 때 빛의 속력으로 고작 17시간이면 닿을 거리를 지난다.

따라서 공전 궤도 정보로 블랙홀의 질량을 계산할 수 있었고,
좁은 공간에 굉장히 높은 밀도의 천체가 자리하고 있다는 판단을 내리며
태양 질량의 400만 배에 이르는 블랙홀 존재의 간접 증거가 발견된 것이다.

이는 또한 오래전 미첼의 상상이기도 했다. 그는 검은 별 주위를 회전하는 밝은 천체를 관측할 수 있다면, 검은 별의 존재를 추론해낼 수 있을 것이라 생각했다.

 

인류 최초로, 블랙홀 사진을 찍다

최초의 블랙홀 사진, M87 은하 가운데의 블랙홀. ⓒ EHT Collaboration

이번 해의 노벨 물리학상에서도 일반상대성이론의 관측 검증이 또 이목을 끌게 되었다. 천문학의 관측 범위는 방대하다. 우리 태양계 규모에서 은하와 은하단에 이르기까지, 중성자별에서 초대질량블랙홀까지 다양한 범위에서 관측은 이어진다. 그리고 지금까지의 관측들은 일반상대성이론이 우주 구석구석을 잘 기술하고 있음을 보여준다.
2019년, 사건지평선망원경(EHT) 팀이 공개한 최초의 블랙홀 이미지와 그동안 노벨 물리학상을 받은 발견들이 좋은 예다. 노벨상 수상의 업적들은 2017년의 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 중력파 검출, 2011년의 우주 가속 팽창 관측, 2006년 우주배경복사의 관측, 1993년의 펄사 관측 공로 등을 포함한다. 발견들이 이뤄질 때마다 다들 이렇게 말한다.

아인슈타인이 옳다. 아직까지는.

나날이 발전해가는 새로운 관측이 우주에 대한 우리의 이해를 어떻게 더 넓혀줄지 기대해본다.