블랙홀의 진짜 모습을 본다 ... 정말 알고 싶은 4가지

마침내 우리 인류는 블랙홀의 근접 사진을 처음으로 보게 될 것 같다. 

중력이 워낙 거대하기 때문에 빛조차도 빨아들이는 블랙홀은 형체를 본다는 건 불가능했다. 그동안 우리가 사진으로 봐왔던 블랙홀의 모습은 모두 상상도였다. 하지만 이제 블랙홀의 실제 모습을 볼 수 있을 것 같다. 

이벤트 호라이즌 망원경(Event Horizon Telescope, 이하 EHT)은 지구를 가로지르는 8개의 전파 관측소 네트워크이다. EHT는 그동안 한 쌍의 거대한 블랙홀을 바라보고 있었는데, 그것은 은하수의 중심에 있는 초거대질량 블랙홀인 ‘궁수자리(Sagittarius) A*’와 M87은하에서 5350만 광년 떨어진 곳의 더 큰 블랙홀이다.

2017년 4월 중력이 너무 극심하여 빛조차 빠져나갈 수 없는 경계선인 블랙홀의 사건의 지평선을 관찰하기 위해 팀을 꾸렸고, 거의 2년 동안 EHT 자료를 분석한 후 4월에 첫 번째 사진을 발표할 준비를 하고 있다. 따라서 우리는 이제 처음으로 진짜 블랙홀 사진을 보게 될 것이다. 과학자들이 블랙홀 사진들을 통해 알고자하는 바는 다음과 같다. 다음은 과학전문매체 사이언스 뉴스(Science News)가 최근 보도한 내용이다.

블랙홀을 정말 어떻게 생겼을까?

블랙홀은 그 이름이 정말 걸맞다. 거대한 중력을 가진 블랙홀은 전자기 스펙트럼의 어떤 부분의 빛도 방사하지 않기 때문에 그 형체를 알 수가 없다. 그러나 천문학자들은 블랙홀의 주변 때문에 블랙홀이 그곳에 있다는 것을 안다. 블랙홀의 중력이 가스와 먼지를 끌어당기면서 물질은 공전하는 원반이 되고, 원자는 극도의 속도로 요동친다. 이 모든 활동은 이 물질을 뜨겁게 달구고, 그래서 엑스레이와 다른 고에너지 방사선을 방출한다. 그래서 우주에서 가장 많이 끌어당기는 블랙홀은 은하의 모든 별들보다 더 빛나는 강착 원반를 가졌다.

‘SgrA*’라고도 불리는 은하수의 ‘궁수자리(Sagittarius) A*’에 대한 EHT의 이미지는 동반되는 밝은 물질의 강착 원반에 블랙홀의 그림자를 포착할 것으로 예상된다. 컴퓨터 시뮬레이션과 중력물리학의 법칙은 천문학자들에게 무엇을 기대해야 하는지에 대한 좋은 아이디어를 준다. 블랙홀 근처의 강한 중력 때문에 원반의 빛은 링을 타고 사건의 지평선 주위를 휘어지므로 블랙홀 뒤의 물질까지도 볼 수 있을 것이다.

그리고 이미지는 아마도 비대칭적으로 보일 것이다. 중력은 바깥 부분보다 더 강하게 원반의 안쪽 부분에서 지구를 향해 빛을 구부려 한쪽으로 치우친 고리 안에서 한 쪽이 더 밝게 보이게 될 것이다.

블랙홀 근처에서도 일반상대성이론이 유지될까?

고리의 정확한 모양은 이론물리학에서 가장 어려운 문제 중 하나를 해결하는 데 도움이 될 것이다. 물리학의 두 기둥은 블랙홀처럼 거대하고 중력적으로 풍부한 것들을 지배하는 아인슈타인의 일반상대성이론과 아원자 입자의 기묘한 세계를 지배하는 양자역학이다. 각각의 영역은 정확히 그 영역 안에서만 작동하고 함께 작동할 수 없다. 애리조나대학 물리학자 라이아 메데이로스(Lia Medeiros)는 “일반상대성이론과 양자역학은 서로 양립할 수 없다”면서 “진퇴양난이다. 무언가를 해봐야 한다.”고 말했다. 만약 일반상대성 이론이 블랙홀 경계에서 흔들린다면, 그것은 이론가들이 앞으로 나아갈 길을 알려주는 것이다.

블랙홀은 우주에서 가장 극단적인 중력 환경이기 때문에 중력 이론을 테스트하기에 가장 좋은 환경이다. 그것은 마치 벽에 이론을 던지고 그것이 어떻게 깨지는지 보는 것과 같다. 일반상대성이론이 유지한다면 과학자들은 블랙홀이 특정한 그림자를 갖게 되어 고리 모양이 될 것이라고 예상한다. 만약 아인슈타인의 중력 이론이 무너진다면, 예측과 다른 그림자를 갖게 될 것이다. 메데이로스와 그녀의 동료들은 아인슈타인의 예측과 다를 수 있는 12,000가지의 블랙홀 그림자 시뮬레이션을 실시했다. 미국천문학회(American Astronomical Society) 1월 시애틀 회의에서 시뮬레이션 결과를 발표한 메데이로스는 “만약 그것이 무언가 다르다면 중력 대체 이론은 큰 선물을 받은 것이다”고 말했다. 일반상대성이론으로부터 아주 조금의 편차라도 EHT가 찾을 수 있을 만큼 다른 그림자를 만들 수 있으며, 천문학자들은 그들이 보는 것이 그들이 기대하는 것보다 얼마나 다른지 수량화할 수 있다.

펄서(눈에 보이지는 않지만 주기적으로 빠른 전파나 방사선을 방출하는 천체)라고 불리는 별의 시체들이 은하수의 블랙홀을 둘러싸고 있을까?

블랙홀 주변의 일반상대성 이론을 테스트하는 또 다른 방법은 별들이 어떻게 그 주위를 도는지 관찰하는 것이다. 빛이 블랙홀 주변에서 극도의 중력을 피해 달아날 때 그 파장은 점점 커져서 빛이 더 붉게 보인다. 중력의 적색편이라고 불리는 이 과정은 일반상대성 이론이 예측한 것으로 지난해 ‘SgrA*’ 근처에서 관측되었다. 지금까지는 아인슈타인에게 좋은 소식이다.

같은 테스트를 할 수 있는 더 좋은 방법은 규칙적인 리듬으로 진동을 발생시키는 펄서를 이용하는 것인데 이 진동은 방사선으로써 빠르게 움직이는 별의 시체로부터 나온다. 중력의 적색편이는 펄서들의 리듬속도(전파를 방출하는 속도)를 엉망으로 만들고, 잠재적으로 일반상대성 이론에 대한 훨씬 더 정확한 테스트를 하게 될 것이다.

미국 버지니아주 샤를롯테스빌에 있는 국립무선천문관측소(National Radio Astronomy Observatory)의 천문학자 스콧 랜섬(Scott Ransom)은 “일반적으로 ‘SgrA*’ 과학을 도전하는 대부분의 사람들을 위한 꿈은 펄서 또는 블랙홀의 궤도를 돌고 있는 펄서를 찾기 위한 것”이라며 “EHT 혼자서는 하지 못하지만 펄서가 제공해주는 (일반상대성의) 꽤 재미있고 깊은 실험이 많다”고 말했다.

세심한 수색에도 불구하고 ‘SgrA*’와 충분히 가까운 펄서는 발견되지 않았다. 부분적으로는 은하 중심부의 가스와 먼지가 전파를 방해해서 그들을 발견하기 어렵기 때문이다. 하지만 EHT은 전파 파장에서 그 중심을 가장 잘 보고 있다. 그래서 랜섬과 동료들은 그것이 어느 정도 발견되기를 바란다. 랜섬은 “우리들은 낚시꾼이지만 터무니없이 큰 것을 잡기는 어려울 것”이라며 “하지만 저희가 그렇게 한다면, 그것은 전적으로 그만한 가치가 있는 것”이라고 말했다.

블랙홀은 어떻게 분출을 만들까?

어떤 블랙홀은 엄청난 양의 가스와 먼지를 끌어당기는 굶주린 대식가이고, 또 다른 어떤 블랙홀은 까다로운 식성을 가지고 있다. 아무도 이유를 모른다. ‘SgrA*’는 400만 개 태양 질량의 중량에도 불구하고 놀라울 정도로 희미한 강착 원반을 가지고 있는 식성이 까다로운 블랙홀 중 하나인 것 같다. EHT의 또 다른 목표인 M87 은하의 블랙홀은 35억에서 72억2000만 개의 태양 질량의 중량을 가진 대식가형 블랙홀이다. 그리고 그것은 단지 밝은 강착 원반만 축적하는 것이 아니다. 그것은 또한 밝고 빠르게 5,000광년만큼 뻗은 대전된 아원자 입자를 내뿜는다.

“블랙홀이 무언가를 흘린다고 생각하는 것은 직관에 조금 어긋나 보입니다.” 독일 막스플랑크 전파천문연구소(Max Planck Institute for Radio Astronomy)의 천문학자 토마스 크리히바움(Thomas Krichbaum)은 “일반적으로 사람들은 그것이 무언가를 삼킬 뿐이라고 생각한다”고 말했다.

다른 많은 블랙홀들은 전체 은하 길이보다 더 길고 넓은 분출물을 만들며, 이는 블랙홀로부터 수십억 광년이나 길게 뻗을 수 있다. “여기서 자연스런 의문이 떠오릅니다. 어떤 강력한 것이 이 분출물을 그렇게 먼 거리로 날려 보내는 것일까요?” 크리히바움은 “이제 EHT를 통해 우리는 처음으로 어떤 일이 일어나고 있는지 추척할 수 있게 되었다”고 했다.

EHT의 M87 블랙홀 관측은 천문학자들이 자기장의 강도를 추정하는데 도움을 줄 것인데, 이 자기장은 분출 매커니즘과 관련이 있다고 생각한다. 그리고 분출물이 블랙홀과 가까이 있을 때 가지는 특성을 측정하는 것은 이 분출물이 어디서 유래했는지 알 수 있게 하는데, 이것은 분출물이 강착 원반의 가장 안쪽이나 강착 원반 혹은 블랙홀 그 자체에서 유래했는지 알 수 있다. 그러한 관측은 또한 분출물이 블랙홀 자체의 어떤 것에 의하여 분출되는지 또는 강착 원반의 빠르게 흐르는 물질에 의해 분출되는 것인지 밝힐 수 있다.

분출물은 은하 중심에서 은하 사이 영역까지 물질을 운반시킬 수 있기 때문에 은하가 어떻게 진화하고 자라는지, 심지어 항성과 행성이 형성되는 곳에도 영향을 미칠 수 있다. 이에 대해 크리바움은 다음과 같이 말했다.

“블랙홀의 초기 형성부터 별의 형성, 나중에는 생명체의 형성까지 은하의 진화를 이해하는 것은 중요합니다. 이것은 정말 큰 이야기인데, 우리의 블랙홀 분출물에 대한 연구는 더 큰 수수께끼에 조금 더 기여하고 있을 뿐입니다.”

# 기사 출처 : Science News, 4 things we’ll learn from the first closeup image of a black hole

<객원기자>

인저리타임 신창민 sinchangmin317@gmail.com 신창민의 기사 더보기

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