[비즈한국] 2020년 노벨 물리학상의 주인공은 우주에서 가장 비밀스러운 존재 ‘블랙홀’이다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 지난 6일 블랙홀 연구에 기여한 공로로 영국의 로저 펜로즈(89), 독일 라인하르트 겐첼(68), 미국 앤드리아 게즈(55)를 올해 노벨물리학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.
작년 2019년 천문학자들은 지구 전역에 깔린 망원경을 한데 동원하는 사건의 지평선 망원경(Event Horizon Telescope, EHT) 프로젝트를 통해서 우리 은하와 거대 타원 은하 M87 중심을 들여다봤다. 그리고 그 속에 숨어 있던 초거대 질량 블랙홀의 민낯을 포착했다.
천문학자들은 오래전부터 다양한 간접 증거를 통해서 블랙홀이 우주에 실재한다고 생각했다. 하지만 과학자들은 누구보다 조심스럽고 신중한 사람들이다. 다행히 2019년 전 지구적인 관측 프로젝트를 통해서 정말 우리가 예측했던 그 모습 그대로 블랙홀이 존재한다는 것이 확인되면서, 드디어 우리는 노벨 물리학상과 함께 블랙홀의 존재를 선언할 수 있게 되었다.
올해 노벨 물리학상의 의미는 무엇일까? 블랙홀은 어떻게 존재가 입증됐을까? 이제야 인정된 블랙홀의 존재, 그리고 새롭게 확인된 블랙홀이 별을 파괴하는 순간의 모습까지, 못 다 한 올해 노벨 물리학상의 뒷이야기를 알아보자.
비로소 그 존재는 입증됐지만 블랙홀은 여전히 많은 비밀을 숨기고 있다. 그런데 이번엔 블랙홀이 곁의 별을 파괴하는 그 생생한 모습을 포착하는 놀라운 발견이 이어졌다. 과연 블랙홀에게 빨려들어가면 어떤 운명을 맞게 될까? 블랙홀은 또 어떤 비밀을 품고 있을까? 올해 노벨 물리학상을 기념하며 그 뒷이야기와 새롭게 밝혀진 블랙홀의 또 다른 매력을 알아보자.
#순서 뒤바뀐 블랙홀과 중력파
로저 펜로즈의 증명을 통해서 수학적으로 무한에 가까운 밀도로 물질이 모여 있을 가능성이 열렸다. 천문학자들은 펜로즈의 증명이 예측하는 시공간에 뚫린 구멍과 같은 존재, 블랙홀을 찾기 시작했다. 이후 오랜 세월 동안 천문학자들은 우리 은하 중심부에서 지나치게 빠른 속도로 맴도는 이상한 별의 움직임을 포착했고, 그 중심의 아주 좁은 영역에 어마어마한 중력으로 주변 별을 휘어잡고 있는 존재가 있어야 한다는 사실을 확인했다. 그 주변에서 방출되는 강렬한 전파, 엑스선 섬광들은 그 중심에서 포효하고 있는 괴물의 존재를 암시했다.
이처럼 풍성한 정황 증거를 통해 이미 오래전부터 블랙홀의 존재를 의심하는 천문학자는 없었다. 하지만 블랙홀이 정말 어떻게 생겼는지, 블랙홀의 진짜 얼굴을 확인한 이는 없었다. 그저 어둠 속에 숨어 주변 물질을 집어삼키며 잔뜩 어질러 놓은 너저분한 사건 현장 주변의 흔적을 통해서 블랙홀이란 범인의 인상착의를 유추했을 뿐이다.
노벨상 위원회는 아무리 멋진 발견이라도 그것이 확실하게 확인되기 전까지는 수상 기회를 주지 않는 것으로 악명이 높다. 노벨상을 타기 위해 가장 필요한 건 오래 사는 것이라는 웃픈 이야기가 나올 정도다. 이런 깐깐한 노벨상 위원회는 공식적으로 블랙홀의 존재를 인정하고 선언하기에는 이르다고 봤던 셈이다.
2019년 사건의 지평선(Event Horizon) 망원경의 관측을 통해서, 은하 중심에 살고 있는 괴물 초거대 질량 블랙홀의 존재가 사실로 확인되었다. 강한 중력으로 주변 물질을 빨아들이며 밝은 강착 원반을 두른 채 빠르게 자전하는 블랙홀 주변 영역의 모습은, 앞서 물리학자들이 상대성 이론을 바탕으로 유추한 모습과 정확하게 일치했다. 오래전 이론가들에 의해 제작된 범인의 몽타주가 실제로 검거된 범인의 머그숏과 정확히 일치하는 경이로운 발견이었다. 이 발견 덕분에 블랙홀의 존재는 노벨상 위원회도 만족할 만큼 의심의 여지가 없는 명확한 사실이 되었다.
하지만 노벨상 위원회의 까다로운 기준 때문에, 블랙홀의 존재보다 블랙홀이 일으킨 중력파의 존재가 먼저 인정되는 아이러니한 역사가 쓰이게 되었다. 지난 2017년 노벨 물리학상은 거의 한 세기 동안 아인슈타인의 미완성 교향곡으로 전해지던, 시공간의 떨림 바로 중력파를 검출한 연구진에게 돌아갔다. 당시 인류가 최초로 포착한 중력파의 시그널은 지구에서 약 13억 광년 떨어진 두 블랙홀이 만들어낸 중력파였다. 태양 질량의 수십 배에 달하는 두 블랙홀이 서로의 강한 중력에 이끌려 하나의 거대한 블랙홀로 병합하는 과정에서 주변 시공간에 퍼져나간 파문을 검출했다.
2015년 9월 지구를 강타한 중력파 시그널. 리빙스턴과 핸포드 두 곳에 설치된 LIGO 중력파 검출기로 동일한 양상의 중력파가 검출되면서 중력파의 존재가 최종 확인되었다. 영상=LIGO
중력파의 존재를 인정하기에 앞서, 그 중력파를 일으키는 블랙홀의 존재부터 인정하고 넘어가는 것이 올바른 순서라고 볼 수 있다. 하지만 첫 번째 중력파 시그널이 포착된 2015년에는 사건의 지평선 망원경 프로젝트가 아직 끝나지 않은 시점이었다. 결국 노벨상 위원회는 블랙홀이 일으킨 중력파의 존재를 먼저 인정하고, 그다음에 그 중력파를 일으킨 블랙홀의 존재를 인정했다.
약간 순서가 엉키기는 했지만 어쨌든 이제 우리는 속 시원하게 이야기할 수 있다. 강한 중력으로 주위 모든 것을 빨아들이는 괴물 블랙홀은 우리 우주에 분명 존재한다. 그리고 블랙홀이 일으킨 시공간의 파문, 중력파 역시 우주를 가득 채우고 있다. 블랙홀과 중력파 모두 상상의 존재가 아니었다. 실제로 지금 이 순간 우리와 함께 우주를 채우고 있는 존재들이다.
2015년 중력파를 일으킨 두 블랙홀의 충돌 과정을 표현한 시뮬레이션. 블랙홀들의 병합 과정에서 중력파가 발생했다. 따라서 중력파의 존재를 인정하기에 앞서 이 중력파를 일으킨 블랙홀의 존재를 먼저 공인해주는 것이 올바른 순서라고 볼 수 있다. 영상=SXS
#블랙홀의 강한 중력이 뽑아내는 ‘스파게티’ 포착
그렇다면 블랙홀에게 사로잡혀 빨려들어가는 물질들은 어떤 운명을 맞이하게 될까? 만약 블랙홀 속으로 다이빙한다면 어떤 경험을 하게 될까? 블랙홀에 발을 딛고 바로 서 있다고 생각해보자. 그러면 내 발바닥은 내 머리카락에 비해서 내 키만큼 블랙홀에 더 바짝 붙어 있게 된다. 중력은 거리가 멀어질수록 더 약해진다. 블랙홀에 내 키만큼 가까이 놓인 발바닥은 좀 더 멀리 떨어진 머리카락에 비해서 블랙홀의 중력을 더 강하게 느끼게 된다. 게다가 블랙홀은 시공간에 구멍을 뚫을 정도로 아주 강한 중력을 행사한다. 따라서 내 키 정도의 미미한 거리 차이만으로도 내 발바닥과 머리카락이 느끼는 블랙홀의 중력의 세기는 확연하게 차이가 난다.
이렇게 블랙홀에게서 떨어진 거리가 조금씩 다른 내 몸의 부분들은 블랙홀의 중력을 조금씩 다르게 느낀다. 좀 더 빠르게 빨려들어가는 발바닥과 좀 더 느리게 빨려들어가는 머리카락의 차이로 인해, 나는 마치 양 옆으로 몸이 길게 쭉 늘려지는 듯한 고통스러운 경험을 하게 된다. 이렇게 발바닥과 머리카락이 느끼는 중력의 차이, 차등 중력의 정도가 내 몸을 구성하는 분자들의 결합력을 이길 정도로 강해지면 결국 나는 산산이 부서질 것이다.
블랙홀에 의한 강한 차등 중력, 조석력의 효과로 인해서 그 주변 물질은 조석 파괴 현상(TDE, Tidal distruption event)을 겪게 된다. 블랙홀의 강한 중력에 의해 그 주변 물질이 길게 국수 면발처럼 쭉 늘어지는 현상을 스파게티화(spaghettification)이라고 부른다. 블랙홀 바로 곁에 붙어 있는 별들은 이렇게 기다랗게 쭉 늘어지며 말 그대로 거대한 우주 면발이 되어 블랙홀에 쭉쭉 빨려들어갈 것이다. 아직까지 이 순간이 생생하게 목격된 적은 없었다. 블랙홀로 빨려들어간 별들이 파괴되며 가스 잔해를 남기는데, 그 거대한 가스 구름 잔해가 블랙홀을 에워싸면서 파괴되는 별들의 별빛이 가로막혀 잘 보이지 않기 때문이다.
그런데 최근 천문학자들은 이 스파게티화의 생생한 현장을 잡는 데 성공했다. 칠레의 초거대 망원경(VLT, Very Large Telescope)과 신기술 망원경(NTT, New Technology Telescope), 그리고 스위프트 우주 망원경을 동원해 남반구 하늘에서 새어나온 밝은 섬광의 변화를 포착했다. 천문학자들은 지구에서 약 2억 1500만 광년 거리에 떨어진 한 은하 중심부 부근에서 밝은 섬광을 내는 별 AT2019qiz를 확인했다. 자외선, 가시광선, 전파, 엑스선 등 거의 모든 파장대에서 밝은 섬광이 나타났다가 반년에 걸쳐 사라졌다.
블랙홀에 의한 조석 파괴 현상의 시뮬레이션 영상. 영상=ESO/M. Kornmesser
이 섬광은 태양과 비슷한 질량을 가진 별이 은하 중심에 위치한 초거대 질량 블랙홀 바로 곁을 지나가면서 스파게티화로 파괴되기 시작한 직후부터 방출한 최후의 SOS 메시지였다. 이 별은 블랙홀에 의해 전체 질량의 거의 절반에 해당하는 물질을 빼앗기며 빠른 속도로 으스러지는 중이었다. 이를 통해, 드디어 천문학자들은 과거 블랙홀의 존재만큼이나 미스터리였던 블랙홀에 의한 주변 천체의 조석 파괴 순간을 확인하게 되었다. 2019년 덜미가 잡힌 블랙홀의 머그숏에 이어 드디어 블랙홀이 면발을 뽑아내는 범행 순간도 잡아낼 수 있게 되었다.
#우리와 함께 살아가는 블랙홀
지난 반세기 동안 블랙홀이란 이상한 존재는 단순히 물리학적 상상이 아니라 실제 우리 우주에 함께 있는 존재임을 알게 되었다. 그리고 이제는 블랙홀이 주변 별을 집어삼키며 어떤 현상이 벌어지고 있는지까지 확인했다. 이전까지는 그저 눈을 감은 채 블랙홀이란 코끼리를 어루만질 뿐이었다면, 이제는 그 감았던 눈을 더 바로 앞에 숨어 있던 블랙홀이란 코끼리의 실체를 알아볼 수 있게 되었다.
과거 인류의 밤하늘은 한결같이 어둡고 깜깜한 지루한 세상이었다. 하지만 이제 우리는 블랙홀이란 괴물의 존재를 확실하게 안다. 그 깜깜한 어둠 속 어딘가에서 게걸스러운 스파게티 식사를 즐기고 있을 블랙홀의 존재를. 눈에는 보이지 않지만 깜깜한 하늘은 블랙홀들이 일으킨 시공간의 떨림, 중력파로 분명 찬란하게 일렁이고 있다. 우리는 지금 이 순간에도 우주의 괴물 블랙홀과 함께 우주를 살아가고 있다. 2020년 노벨 물리학상 발표는 이 우주에서 가장 독특하고 이상한 존재가 최종 확인되었음을 선언한 것이다.
참고
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020arXiv200602454N/abstract
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02717-3
https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/black-hole-image-makes-history
https://www.nature.com/collections/gccheagbfh
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/advanced-information/
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.
지웅배 과학칼럼니스트
galaxy.wb.zi@gmail.com[핫클릭]
·
[사이언스] 혜성에서 포착된 오로라가 말해주는 것
·
[사이언스] 별의 죽음을 옆에서 바라본 외계행성
·
[사이언스] 안드로메다와 우리 은하의 충돌은 이미 시작되었다
·
[사이언스] 금성의 악취 속에 생명활동의 증거가 숨어있다
·
[사이언스] 인간은 '별의 죽음' 덕분에 탄생했다
