2021.06.05 (토)

신기한 과학 나라 : 우주 속 블랙홀 편

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지난해 4월, 과학계는 한 사건에 의해 떠들썩했다.  ‘블랙홀 관측 성공’이 바로 그 주인공이었다. 덕분에 많은 사람들이 블랙홀의 모습을 볼 수 있게 되었지만 정작 블랙홀이 어떻게 생성되었으며, 어떤 방식으로 이를 관측했는지는 잘 알지 못했다. 다들 여러 궁금증을 갖고 있을 것 같아서 바로 오늘, 그 의문에 대해서 해답을 찾아보려고 한다. 

 

우선 우주의 생성 과정에 대해 이야기해보자. 우주의 생성은 우리가 흔히 말하는 ‘대폭발 이론 (빅뱅)’으로 설명 할 수 있다. 대폭발 이론은 높은 에너지를 가진 작은 물질과 공간이 약 137억 년 전 거대한 폭발을 거쳐 우주가 되었다고 보는 이론이다. 이에 따르면, 오늘날 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지는 초고온, 초고밀도의 작은 점에 갇혀 있었다. 이 작은 점의 순간적인 폭발에 의해 갇혀 있던 물질과 에너지가 폭발하여 서로 거리가 멀어지기 시작했다. 점점 팽창하며 온도가 감소하였고, 이 과정을 통해 그 안에 있던 물질과 에너지가 쿼크가 되었으며, 쿼크가 모여 양성자와 중성자를 만들어 내었다. 그리고 이러한 것들이 서로 결합하는 등의 과정을 거쳐 수소, 헬륨 등의 원소가 된 거고. 시간이 지남에 따라 별이 생기기도 하고 폭발도 하면서 다양한 원소가 형성되었다.

 

  그렇다면 이제 블랙홀의 형성 과정과 관측 방법에 대해 알아보자.

블랙홀은 강력한 밀도와 중력으로 입자나 전자기 복사, 빛을 포함한 그 무엇도 빠져나올 수 없는 시공간 영역이라고 추측되고 있다. 항성은 내부에서 일어나는 핵융합 반응에서 얻은 에너지로 빛을 낸다. 또한 그 에너지에 의해 생기는 압력은 밖으로 나가려고 하며 그 압력으로 인해 자신의 무게에서 나오는 중력을 이겨내고 있다. 그런데 항성은 핵융합 연료를 다 소비하면 더 이상 제 무게를 이겨낼 수 없게 돼. 이 과정을 거치면 태양보다 질량이 큰 항성들은 자신의 질량에 비례하는 중력을 받는다. 그로 인해 중심핵이 엄청난 압력으로 수축하여 단숨에 블랙홀이 되고, 바깥층은 초신성 폭발로 날아가 버리게 된다.

 

  이전부터 블랙홀을 관측하기 위한 노력은 많았다. 그러던 중 바로 2019년 4월, 우리나라 과학자 8인을 포함한 국제 연구진들은 EHT(Event Horizon Telescope) 프로젝트를 통해 세계 최초로 블랙홀을 관측하게 된 것이다. 사건지평선망원경(EHT)이란 미국, 하와이, 멕시코, 스페인, 칠레, 남극 등 전 세계에 있는 8개 전파망원경을 연결한 지구 크기의 가상 망원경으로, 파리의 카페에서 뉴욕의 신문을 읽을 수 있을 정도로 해상도가 높다. 이 망원경을 만들어 관측한 후 초장기선 간섭 관측법이라고 불리는 기술로 멀리 떨어져 있는 복수의 망원경으로부터 수신된 전파를 서로 간섭시켜 합성 사진을 제작한 것이다. 이렇게 만들어진 사진은 사실 노이즈와 블랙홀이 뒤죽박죽 섞여 있어 블랙홀을 알아보기 어려웠는데, 이때 ‘케이티 바우만’이라는 박사가 수 개의 전파망원경으로부터 얻어낸 화상 데이터를 상호 간 참조하여 노이즈와 관찰 대상을 구분하고 이미지를 추출하는 계산 알고리즘을 고안해냈다. 마침내 국제 연구진들은 보우만 박사가 고안해낸 알고리즘을 통해 최초로 블랙홀(엄밀히 말하자면 블랙홀 그림자)를 관측할 수 있게 됐다.

 

내가 앞서 설명한 내용을 잘 이해했다면 지금쯤 한 가지 의문이 들 것이다. 대체 어떤 방식으로 우리가 블랙홀 그림자를 관측할 수 있었을까? 아직 우리는 빛을 빨아들이는 블랙홀을 직접적으로 관측할 수 없어서 그림자를 통해 간접적으로 볼 수밖에 다고 한다. 그래서 우리는 블랙홀 중력으로부터 비교적 영향을 덜 받는 위치를 지나가는 빛과 전파는 블랙홀에 빨려 들어가지 않고, 블랙홀의 강한 중력 때문에 휘어져 지나간다는 사실을 이용해 관측했다. 블랙홀 관측 방법을 한마디로 정리하자면 “EHT를 통해 블랙홀의 그림자를 관측하고 슈퍼컴퓨터를 이용해 원본 데이터를 최종 영상으로 변환하였다”고 말할 수 있겠다.

 

  지금까지 우주와 다양한 원소의 생성과 블랙홀의 발생, 관측 방법에 대해 과학적인 관점에서 알아봤다. 우주나 블랙홀을 처음 접한 사람은 이 기사가 어렵게 느껴졌을지도 모른다. 

그러나 천체물리학적인 지식을 갖고 있지 않던 케이티 바우만도 관심을 갖고 새로운 접근을 통해 블랙홀 관측을 가능하게 했다. 그녀는 우리에게 “블랙홀처럼 이해하기 힘든 것이라도 밖으로 나가서 과학의 경계를 없애라”고 조언했다. 이 기사가 어렵고 이해하기 힘들었을지라도 과학이 마냥 기피할 대상만은 아니라는 걸 전해주고 싶다. 과학에 대한 거부감을 허물고, 만물의 근원에 대해 관심을 가져보길 바라며, 더 나아가선 과학으로 인류 발전에 대해서도 생각해볼 수 있길 바란다.

 

기사: 이수연

편집: 윤여샘