이것이 최초의 블랙홀 사진입니다

이것이 최초의 블랙홀 사진입니다

하이노 팔케, 외르크 뢰머 지음

에코리브르 / 2023년 1월 / 384쪽 / 25,000원





프롤로그



드디어 블랙홀을 관측하다

브뤼셀 유럽집행위원회 기자 회견장의 불이 꺼졌다. 오랫동안 우리 모두가 기진맥진할 정도로 심혈을 기울여 도달하려 노력한 순간이 임박한 것이다. 2019년 4월 10일 화요일, 15시 06분 20초였다. 그리고 40초 뒤, 전 세계 사람들은 엄청나게 큰 블랙홀이 찍힌 사진을 최초로 보면서 경이로워했다. 이 블랙홀은 지구에서 5500만 광년 떨어진 메시에 87, 즉 M87 은하의 중심에 놓여 있다. 블랙홀에 드리운 캄캄한 어둠의 정체는 영원히 우리 눈으로 관측하지 못할 거라고 오랫동안 믿어 왔다. 하지만 오늘 이 어둠의 정체가 처음으로 대중 앞에 그 모습을 드러낸 것이다.

기자 회견장의 첫 번째 줄에는 연구에 참여한 동료와 젊은 과학자들이 앉아 있었다. 수년 동안 우리는 이 일에 매달렸고, 각자 능력 이상을 해냈다. 몇몇은 이를 위해 전 세계 외진 곳을 여행하다 생명의 위협을 받기도 했다. 오늘 그들이 성취한 연구 결과를 어둠 속에 앉아 있는 전 세계 사람들에게 발표하게 되었다. 이 순간 연구에 참여한 모든 분에게 감사의 말을 전하고 싶다.

우주의 칠흑 같은 어둠 속에서 M87 은하의 중심에서 빨갛게 빛나는 고리가 나타났다. 윤곽이 흐릿하게 드러나면서 스크린에 약간 희미한 모습을 유지한 채 고리는 빛을 발하기 시작했고, 모든 사람을 매료시키면서 다음과 같은 사실을 일깨워 주었다. 즉 지금까지 사진 관측이 불가능하다고 여겨졌지만, 블랙홀로부터 50해 킬로미터를 여행하고 지구에 도착한 전파를 관측해 이 사진을 얻었다는 것이다.

초대질량 블랙홀은 우주의 무덤이다. 블랙홀은 연료를 다 소모해 완전히 타버린, 죽은 별에서 생성된다. 우주는 이런 초대질량 블랙홀에 거대 가스 성운, 행성, 별 등을 먹이로 제공한다. 블랙홀의 질량 때문에 주변의 우주 공간은 아주 심하게 휘어서 시간조차 멈춰 버릴 것처럼 보인다. 블랙홀 가까이에 접근한 모든 것은 블랙홀을 절대 빠져나가지 못한다. 빛조차 블랙홀을 빠져나갈 수 없다. 스크린에서 동영상 상영이 끝났을 때 나는 “이것이 최초의 블랙홀 사진입니다.”라고 말했다. 기자 회견장에서는 곧바로 박수갈채가 쏟아졌다. 지난 몇 년간의 긴장이 순식간에 사라졌다. 나는 자유를 느꼈다.

초대질량 블랙홀은 실제 존재한다! 전 세계 사람들이 여러 해 동안 온갖 어려움과 차이를 극복하고 공동의 목표를 향해 노력한 덕에 이 사진을 얻을 수 있었다. 이 사진은 우리를 지식의 한계로 이끌었다. 이상하게 들리겠지만, 우리의 측정 및 연구 능력은 블랙홀의 가장자리에서 끝난다. 그래서 우리가 이 한계를 언제 넘어설 수 있을지 큰 의문이다. 하지만 여러 세대에 걸쳐 과학자들이 우리 이전에 이미 한계에 도전하는 물리학과 천문학의 새 장을 열었다. 20년 전만 해도 블랙홀의 이미지를 직접 관측한다는 것은 공상에 불과했다.

당시 젊은 과학자이던 나는 블랙홀을 찾아 나서는 모험에 뛰어들었고, 지금도 블랙홀을 사냥하는 일에 몰두하고 있다. 참고로 내 천문학자의 꿈은 50여 년 전에 시작되었다. 어릴 적 어두운 밤하늘을 처음 올려다본 뒤로 나는 아이들만이 꿈꿀 수 있는 하늘을 꿈꾸었다.

천문학은 오늘날에도 끊임없이 새로운 통찰을 제공해 주는 매력적이고 오래된 학문 중 하나다. 고대부터 지금까지 과학자들은 우리의 우주관을 끊임없이 근본적으로 바꿔 왔다. 이런 변화의 동기는 호기심과 필요성이었다. 그때부터 우리는 열정을 다해 수학과 물리학 그리고 늘 새로운 망원경으로 우주를 탐구하고 있다. 최첨단 기술에 힘입어 우리는 우주의 끝으로 향하는 모험을 열어젖히면서 새로운 신비를 밝혀내고 있고, 오늘날 밤하늘을 바라보는 사람은 어떤 새로운 것들이 밝혀질지 궁금해한다.



우주의 신비



가장 행복한 아인슈타인의 생각들

빛과 시간: 태양은 하늘에서 가장 밝게 빛나고, 태양계의 크기는 우주의 크기를 다룰 때 기본 척도가 된다. 태양계에서 거리는 달까지는 광초, 태양까지는 광분, 외행성까지는 광시로 측정한다. 그러나 일상생활에서는 빛으로 거리를 측정한다. 1966년까지 길이의 단위는 ‘미터원기’로 정의되었다. 이것은 백금-이리듐 합금 막대로 파리에 보관되어 있으며 미터의 표준 역할을 했다. ‘미터원기’는 북극에서 파리를 지나는 자오선을 따라 측정한 지구 둘레의 1000만분의 1의 거리에 해당한다. 그러나 오늘날 미터는 빛의 속도로 정의되며, 1미터는 빛이 진공에서 299,792,458분의 1초 동안 이동하는 거리다.

빛은 전자기 진동으로 이루어져 있기 때문에 오늘날 시간을 측정하는 데도 빛을 이용한다. 빛은 만물의 기본 척도이며, 이 말은 더 심오한 의미에서 사실이다. 아인슈타인은 사람이 얼마나 빨리 이동하는지와 상관없이 빛은 실제로 항상 똑같은 속도로 운동한다는 사실이 무엇을 의미하는지 고민했는데, 이런 사고 과정은 시간과 공간이 불변하며 절대적이라는 우리의 생각을 완전히 바꿔 놓았다.

그런데 빛은 어떻게 늘 똑같은 속도로 운동할까? 달리는 스포츠카에서 기어가는 개미는 아스팔트 위를 기어가는 개미보다 더 빨리 움직인다. 자동차의 속도와 개미의 속도가 더해지기 때문이다. 그렇다면 빛에도 똑같이 적용되어야 하지 않을까? 아니다. 빛은 개미도, 자동차도, 축구공도, 로켓도 아니기 때문이다. 빛은 순전히 에너지다. 그리고 빛은 관성 질량도 없다. 물질은 힘과 에너지로만 가속된다. 그러나 물질이 가벼울수록 더 쉽게 가속된다. 개미는 자동차보다 더 쉽게 가속될 수 있다. 빛 역시 너무 ‘가벼워서’ 사람들은 빛을 움직이기 위해 아무런 노력을 하지 않아도 된다. 빛은 스스로 전파된다. 진공 상태에서는 늘 최고 속도, 즉 빛의 속도?거의 정확히 시속 10억 킬로미터?를 유지한다.

빛보다 가벼운 물질은 없기 때문에 당연히 빛보다 빨리 움직일 수 있는 물질도 없다. 중력이 변해 생긴 중력파도 빛의 속도로만 전파된다. 일단 빛의 속도로 시작했다 하면 그사이에 속도는 실제로 불변 속도가 되어 버린다. 여기서 ‘빛’에 대해 논할 때 우리는 암묵적으로 빛과 같이 파동 형식으로 정보를 전달하는 또 다른 물리 과정을 말하고 있는 것이다. 우주와 지구에서 실질적 판단 기준은 빛이다. 빛은 시간과 공간을 측정할 뿐만 아니라, 시간과 공간을 정의해 준다. 왜 빛은 그렇게 근본적일까? 우주는 빛과 물질로 구성되어 있다! 그러나 계속 질문을 이어 가다 보면 결국 모든 것은 빛과 에너지로 이루어졌다는 결론에 도달한다. 다음은 아인슈타인의 방정식이다. ‘E=mc2’ 이것은 에너지(E)는 질량(m) 곱하기 빛의 속도(c)의 제곱임을 의미한다. 질량은 곧 에너지이고, 에너지는 질량이라는 것이다.

원래, 이 방정식에는 또 다른 변형이 있다. ‘E=hv’ 여기서 그리스 문자 v(누)는 빛의 주파수를 나타내고, h는 플랑크 상수로 빛을 에너지로 변환해 주는 상수다. 이 방정식은 독일 물리학자 막스 플랑크가 세운 양자 이론 방정식이다. 원자 같은 작은 규모에서 에너지는 빛의 형태로, 이른바 광자라는 특정한 에너지 단위로 공급받거나 빼앗기게 된다. 빛 역시 에너지다. 빛의 주파수가 커질수록 빛의 에너지도 커진다. 물질과 빛은 에너지이고, 그래서 서로 변환될 수 있다.

더 큰 혼란을 막기 위해 아인슈타인은 높은 에너지에서 빛이 입자처럼 행동한다는 개념을 고안해 냈다. 여기서 광자라는 개념을 사용한다. 이는 작은 파동 덩어리로, 이곳에서 빛이 계속 진동하고 그러나 그 빛은 작은 빛 덩어리로 공간을 윙윙거리며 퍼져 나간다. 뉴턴과 맥스웰은 둘 다 옳았다. 빛은 입자이면서 파동이다. 무엇을 측정하려 하느냐에 따라 그 성질이 달라진다는 뜻이다. 오늘날 우리는 이 입자-파동 이중성이 작은 입자에도 적용된다는 사실을 알고 있다. 물질 스스로도 아주 작은 형태를 지날 때 파동처럼 행동한다. 일상에서 마주하는 힘들도 빛을 통해 전달된다. 따라서 우리는 늘 빛으로 측정하고, 내가 측정할 수 있는 것만이 내게 존재하는 것이다. 그런 의미에서 빛이 없는 우주는 존재하지 않는다. 시간과 공간, 물질과 감각, 이 모든 것은 기본적으로 빛 없이는 아무것도 아니다.

은하수와 은하수에 속한 별들

별들의 신비로운 일생: 별이 빛나는 하늘은 늘 똑같아 보인다. 그러나 사실이 아니다. 밤하늘은 변한다. 장시간에 걸쳐 별은 변화를 겪는다. 별은 저마다 고유한 삶을 살고, 태어나고 죽는다. 먼지에서 태어나서 먼지로 돌아간다. 별은 죽으면서 바깥 껍질을 구성하고 있는 물질을 우주 공간으로 내보내는데, 이 물질은 젊은 별이 탄생하는 재료가 된다. 별이 죽음과 사투를 벌일 때 가스와 먼지가 우주 공간으로 분출되고, 이들은 거기에서 거대한 분자운으로 모인다. 이 분자운은 활동하는 별의 잔해를 모으면서 더욱 커진다. 이런 화학적 혼합물은 새로운 별과 행성이 탄생하기 위한 최적의 장소가 된다.

지름 10광년에서 100광년에 달하는 성간 가스와 먼지구름은 우주에서 아름다운 구조물이다. 우리 은하수를 깊이 들여다보면 얼마나 많은 성간 구름이 존재하는지 알 수 있다. 특이한 물질이 밀집해 있는 천체 또는 거대 분자운은 밝게 빛나거나 은하수에서 나오는 빛 앞에서 검은 구름을 형성하기도 한다. 우리은하는 엄청나게 힘센 나선 팔로 이 분자운을 밀어내고 있다. 망원경으로 이런 구조들을 들여다보면 환상적인 우주의 예술품이 그 신비를 보여 준다. 천문학자들은 가시광선보다 긴 파장을 이용해 먼지 장벽을 뚫고 들여다본 후에야 이런 구름의 중심에 대한 구조를 밝혀낼 수 있었다.

우주 공간의 가스 구름에서 나오는 빛은 지구에서 측정할 수 있다. 지난 40년간 이런 우주 공간에서 분자의 모습을 관측하기 위해 전 세계에 전파 망원경을 두루 설치했다. 고도 2550미터인 프랑스 알프스 플라토 드뷔르의 전파 망원경은 북반구에서 가장 큰 간섭계다. IRAM-NOEMA 망원경의 지름 15미터 반사경 안테나 11개가 눈 덮인 산등성이에서 반짝이고 있다. 이런 형태의 전파 천문대 가운데 세계에서 가장 큰 것은 칠레의 ALMA(아타카마 대형 밀리미터 집합체) 천문대다. 이 전파 천문대는 주로 지름 12미터 전파 안테나 66개로 구성되어 있다.

유럽, 미국, 일본의 천문학자가 공동으로 운영하는 이 망원경은 대기 두께가 아주 얇고 공기는 건조한 상태에서 작동하도록 고도 5000미터 높이에 있다. 그렇지 않으면 크기가 작은 전파가 낮은 고도의 습한 대기에 의해 아주 강하게 흡수되기 때문이다. 블랙홀 영상을 얻는 데 결정적 역할을 하는 것이 바로 이런 전파 망원경이다.

죽은 별과 블랙홀

하늘에서의 죽음 - 별은 어떻게 죽는가: 별은 태어나고 죽으면서 새로운 별이 탄생할 공간뿐 아니라, 별의 사후에 생겨날 블랙홀을 위한 공간도 마련한다. 참고로 1054년 여름 전 세계 사람들은 놀라 하늘을 올려다보았고, 대재앙이 올 거라고 두려워했다. 사람들을 사로잡은 이것의 정체는 무엇이었을까? 그 현상은 초신성, 거대한 별의 폭발이었다. 이 초신성은 우리은하에서 6000광년 떨어진 곳에서 일어났다. 별은 열기구와 비슷한 것으로 상상해 볼 수 있다. 중심의 열 때문에 풍선은 부풀어 오른다. 연료를 다 소모하면 가스가 냉각되고 압력이 떨어지면서 풍선은 쭈그러든다. 그렇게 별도 마지막을 맞이한다. 연료가 다 타면 별은 수축한다. 비유적으로 별이 언제 어떻게 죽는지는 그 질량에 따라 다르다. 대부분은 가벼운 별인데, 이 별들은 아주 오랫동안 빛을 내다가 시름시름 천천히 죽어 간다.

블랙홀이 태어나다: 과체중의 알프레트 삼촌을 위해 준비한 거실의 아주 안정적인 의자가 있다. 삼촌이 싸구려 플라스틱 접이식 의자에 앉았다가 의자가 부서지는 일을 겪은 뒤부터 그를 위해 이런 무거운 나무 의자를 준비해 놓았다. 안전한 것이 좋은 것이니까! 그러나 아무리 안정적인 의자라도 한계가 있는 법이다. 알프레트 삼촌이 서커스 코끼리를 데려와 나무 의자에 앉힌다면, 이 의자도 부서지고 말 것이다. 천체 물리학에서 백색 왜성은 가장 싼 플라스틱 의자이고, 중성자별은 안정적인 나무 의자다. 이 나무 의자는 훨씬 잘 견뎌 내지만 모든 것을 견뎌 낼 수는 없는데, 별 중에 진짜 코끼리가 존재하기 때문이다.

이런 통찰은 공교롭게도 미국 원자 폭탄의 아버지 로버트 오펜하이머와 동료 및 학생들 덕택이다. 그들은 제2차 세계 대전이 발발하기 직전에 중성자별이 최대 한계 질량을 지니고 있음을 증명했다. 오늘날의 계산에 따르면 중성자별의 최대 한계 질량은 태양 질량의 2~3배가 넘는다.

우주에서 코끼리별은 무게가 태양의 25배 이상인 별이다. 이 별이 폭발할 때 상당 부분의 질량이 우주 공간으로 방출되고, 핵에는 우선 백색 왜성이 형성되었다가 다음에 중성자별이 형성된다. 그리고 내부에서 점점 더 많은 물질이 중심으로 떨어져 중성자별조차 언젠가는 폭축하고 더 이상 수축을 저지할 수 없게 된다. 폭축은 제지할 수 없다. 별은 끝없이 아래로 가라앉고, 언젠가 모든 질량이 무한대로 높은 밀도를 지닌 한 점에 도달할 때까지 점점 작아진다. 이제 우주의 이상한 천체, 즉 블랙홀이 태어났다. 물론 오펜하이머 시대에는 그렇게 부르지 않았다.

‘블랙홀’이란 용어는 1964년 앤 어윙 기자의 기사에 처음 등장했고, 1967년에 존 아치볼드 휠러가 한 학술회의에서 사용하면서 정착됐다. 블랙홀은 아주 큰 별에서만 생겨날 수 있으며, 그런 큰 별은 오래 살 수 없다. 수명은 수백만 년밖에 안 된다. 거성이 되자마자 바로 폭발한다. 젊은 별이 탄생하는 곳에는 항성 블랙홀이 존재한다. 1억 개의 블랙홀이 우리은하에 존재하는 것으로 추정된다. 이런 블랙홀은 수천 광년 떨어져 있고 너무 작아서 사진을 찍을 수 없다. 많은 경우 블랙홀은 하늘에서 밝은 엑스선원으로 관측되며, 블랙홀이 이웃 별에서 물질을 빨아들이고 또 그 물질을 같이 회전시킬 때 엑스선이 방출된다. 이 경우를 엑스선 쌍성이라 일컫는데, 사실 서로 돌고 있는 천체는 한 별과 한 별의 주검이다. 블랙홀 좀비는 제 파트너를 조금씩 조금씩 잡아먹고 있다.

은하, 퀘이사 그리고 빅뱅

새로운 빛 - 전파 천문학: 수천 년 동안 사람들은 하늘을 맨눈으로 관측할 수밖에 없었고, 17세기부터는 광학 망원경이 도와주었다. 그러나 90년 전 새로운 기술이 등장했는데, 이 기술은 우주 연구에서 가장 짧은 시간에 혁명을 불러일으켰다. 1932년 잰스키가 우주에서 오는 전파 신호를 발견했을 때, 사람들은 즉시 전체 우주를 아주 다르게 인지하게 되었다. 광학 영역이 빛이 아닌 전자기파의 다른 파장 영역의 빛을 최초로 사용했기 때문이다. 천문학자들은 이런 방법으로 완전히 새로운 분야에 들어가게 되었고, 무엇보다 먼저 그 분야에 적응해야 했다. 이 새로운 학문 영역이 전파 천문학으로, 전파 망원경이 새로운 관측 기기로 인정받고 정립되기까지는 상당한 시간이 걸렸다.

오늘날 우리는 전 파장의 전자기파 영역으로 하늘을 스캔한다. 이때 전파 망원경, 적외선 망원경, 광학 망원경, 엑스선 망원경, 감마선 망원경 등을 사용한다. 전파 망원경은 전 세계에서 동시에 연결 가능하며, 이 전파 망원경들로 지구 크기의 전파 망원경 역할을 할 수 있도록 해 가장 선명한 천문학적 이미지를 얻는 날이 올 것인데, 이 기술은 아주 긴 영어 이름 Very Long Baseline Interferometry(초장기선 전파 간섭계)를 얻었다. 천문학자들은 ‘브이엘비아이(VLBI)’라고 부른다. 이 기술로 지구 크기의 세계 망원경이 탄생했고, 그 망원경으로 마침내 블랙홀의 이미지를 관측하는 데 성공했다.