인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 칼럼에서는 빅뱅에 대해서 알아보았다. 빅뱅의 결과물로 생성되었지만, 그 대척점에 서 있는 또 하나의 신비한 우주현상이 블랙홀이다.

하늘에 떠 있는 만물은 자전과 공전의 원리에 따라 서로에게 영향을 주고 받는다. 위성은 행성을 중심으로, 행성은 항성을 중심으로, 항성은 은하를 중심으로, 소은하는 초은하군을, 은하단은 극초은하단을 중심으로 자전과 공전한다.

지구의 항성인 태양도 자전과 공전한다. 태양의 공전대상은 우리은하 중심의 블랙홀이며, 주기는 약 2억년, 공전속도는 초속 230km이고, 태양이 탄생한 후 약 50억년 동안 25번의 공전을 한 것으로 추정된다. 바로 행성의 공전의 중심에 항성이 있듯이, 항성의 자전과 공전의 중심에는 블랙홀이 있는 것이다.

블랙홀은 우주에서 가장 빠른 빛조차 빠져나가지 못할 정도로 중력이 강한 천체이다. 블랙홀은 1789년 영국의 존 미첼, 프랑스의 수학자 라플라스 등이 처음 제기했지만 오랫동안 이론상으로만 존재해 왔다. 그러다가 1915년 아인슈타인이 발표한 상대성이론에서 개념화됐다.

블랙홀은 통상 아래와 같이 두가지 과정에 의해서 생성된다고 추정되고 있다.

첫째, 원시 블랙홀이다. 이는 약 148억 년 전 우주가 대폭발(Big Bang)에 의해서 창조될 때 물질이 크고 작은 덩어리로 뭉쳐져서 블랙 홀이 무수히 생겨난 것으로 추정되고 있다. 원시 블랙홀은 물질이 자체 중력으로 붕괴해 블랙홀이 되기에는 질량이 모자라지만, 우주 탄생 초기에 우주 전체의 압력이 매우 커서 높은 밀도로 압축돼 탄생한 것으로 추정되고 있다.

둘째, 블랙홀은 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어질 수 있다고 본다. 별의 진화과정에서 작은 별은 마지막에 백색왜성이라는 최후 진화단계를 거친다. 그러나 태양보다 8배 이상 무거운 별은 적색 초거성이 되며, 초신성폭발을 일으켜 중성자별로 남는다. 중성자별은 밀도가 물의 약 1천배에 이르는데, 그 중 밀도가 무한대에 가까운 것을 블랙홀이라고 한다.

이러한 별들은 특이점(singularity)이라고 하는 부피가 0이고, 밀도가 무한대인 한 점으로 압축된다. 특이점은 블랙홀의 중심을 이루고 있으나, 사건의 지평선(Event horizon)이라는 블랙홀의 표면으로 가려져 있다. 사건의 지평선 안에서는 천체의 중력장에서 벗어나기 위한 물체의 속도인 탈출속도가 빛의 속도보다 커서 빛조차 우주공간으로 벗어날 수 없다.

블랙홀은 우주에서 가장 빠른 빛조차 빠져나가지 못할 정도로 중력이 강하고, 어두운 데다 너무 멀리 있어 그동안 직접 관측된 사례가 없었다. 이에 한국을 포함하여 미국, 유럽 등의 연구자 200여 명으로 구성된 사건지평선망원경(EHT·Event Horizon Telescope) 연구진은 2012년 블랙홀의 외부 경계면인 사건의 지평선(event horizon)과 블랙홀의 그림자를 통한 블랙홀 관측에 나섰다.

아인슈타인의 상대성이론에 따르면 강한 중력을 가지고 있는 천체는 빛을 휘게 만든다. 블랙홀 주변에 발생한 빛과 전파는 강한 중력으로 휘어지는데, 이 빛이 우리가 볼 수 없는 블랙홀 가운데를 비추면서 블랙홀의 윤곽이 드러나게 한다. 이것을 블랙홀의 그림자라고 한다.

연구팀은 지구에서 빛의 속도로 5500만 년 이동해야 도착할 수 있는 거대 은하(처녀자리) 중심부에서 2017년 4월 5일부터 14일까지 블랙홀을 관측한 후 2년간의 분석을 거쳐 인류가 직접 관측한 블랙홀의 모습을 2019년 4월 10일 공개했다.

이 블랙홀은 빛이 중력에 의해 휘어져 형성된 지름 400억km의 고리 모양의 구조 안쪽에 위치하는 것으로 관측됐으며, 질량은 태양의 65억 배에 달하며 지름은 약 160억km다. 이 관측은 아인슈타인이 1915년 일반상대성이론에서 블랙홀의 존재를 예측한 지 100여 년 만에 인류 최초로 존재를 확인했다는 데 의의를 가진다. 우리가 우주여행 중에 블랙홀을 만난다면 어떻게 할 것인가?

미안하고 또 미안하다
인류역사 수 십만 년 동안 
너를 알아보지 못해 정말 미안하다

아인슈타인의 상대성이론으로
처음으로 모습을 드러낸 너

힘이 항우장사여서 그 빠른 빛조차
휘어지게 만든다는 너

춥고 어두운 우주의 한 가운데서
하마처럼 입을 벌려 별들을 잡아먹고
우주의 쓰레기를 집어 삼켜 
하늘바다를 청소하는 너

수 천 억 개의 별들의 중심에 서서
암흑물질과 암흑에너지를 한데 모아 모아
은하수의 주인으로 우뚝 서있는 너

2019년 4월에야 우리는 비로소 
너를 볼 수 있었다.
너의 아름다운 모습에 손벽칠 수 있었다

어두운 곳에 우뚝 서서 
우주삼라만상의 질서를 다스리는 
블랙홀이여!

하정열 칼럼니스트

press@interview365.com

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