살살알려드림) 블랙홀의 진짜 정체는 무엇일까?? (거...검은 구멍??)

 

 

• 일반 상대성 이론의 등장 [00:25]: 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 블랙홀 이론의 출발점이 되었습니다.
• 슈바르츠실트의 발견 [00:53]: 슈바르츠실트는 일반 상대성 이론 방정식에서 빛조차 탈출할 수 없는 특이한 공간의 존재 가능성을 수학적으로 도출해 블랙홀의 이론적 개념을 제시했습니다.
• 아인슈타인의 회의론 [02:01]: 아인슈타인은 블랙홀이 수학적 상상 속에서만 가능하고 실제로는 존재할 수 없다고 생각했습니다.
• 블랙홀 생성 조건 [02:20]: 태양과 같은 별이 핵융합 연료를 다 사용하고 중력 수축을 멈추지 못할 때 블랙홀이 만들어질 수 있습니다. 별의 질량에 따라 백색 왜성 [02:57], 중성자별 [03:29]을 거쳐 블랙홀이 될 수 있습니다.
• 블랙홀의 특징 [04:34]: 블랙홀은 부피가 존재하지 않는 영차원, 무한대의 밀도를 가지며 기존의 물리 법칙이 통용되지 않는 공간입니다.
• 블랙홀 존재 증명 [04:42]: 로저 펠로즈 경은 수학적으로 블랙홀 형성이 가능하다는 것을 증명했으며 [04:52], 이벤트 호라이즌 망원경(EHT) 프로젝트를 통해 최초로 블랙홀의 실제 모습이 관측되었습니다 [05:22]. 또한, 라인하르트 겐체 박사는 우리 은하 중심에 있는 초거대 질량 블랙홀의 결정적인 증거를 수집했습니다 [05:58].
• 2020년 노벨 물리학상 수상 [06:06]: 로저 펠로즈 경, 라인하르트 겐체 박사, 안드레아 게즈 박사는 블랙홀 연구에 대한 공로로 2020년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 다시 한번 검증받는 계기가 되었습니다 [06:13].

 

 

블랙홀

우리말로 하면?

검은 구멍

 

다들 들어봤을 겁니다.

맞아요.

과학에 관심이 별로 없는 분들도 대부분 이름은 들어보셨을 정도로

블랙홀은 대중들에게 친숙하죠.

 

지난 2020년 블랙홀 관련 이론이

처음으로 노벨 물리학상을 수상하는 일이 있었는데요.

그 유명세를 생각한다면 다소 의아하기도 합니다.

 

왜 최근에서야 수상을 하게 된 걸까요?

그리고 왜 전 세계 수많은 과학 덕후들이

이번 수상에 열광하는 걸까요?

 

그걸 알기 위해서는

100여 년 전으로 거슬러 올라가야 합니다.

따라와 보세요.

어렵지 않아요.

 

모두가 아는 바로 그 천재

물리학계의 핵인싸 아인슈타인은

1915년에 일반 상대성 이론을 발표합니다.

이름은 유명한데 사실 그 내용은 좀 어려워요.

이 영상에서는 자세한 설명은 생략하는 대신

영상 하나만 보고 넘어갈게요.

 

파란 천 위에 무거운 물체가 하나 있습니다.

그걸 중심으로 움푹 파여 있죠.

주변의 구슬들은 자연스럽게 가운데로 떨어질 거예요.

파란 천은 시공간이고

천의 휘어짐이 바로 중력입니다.

무거우면 무거울수록 휘어짐이 심해서

중력이 강해질 거예요.

이것이 일 상대성이론의 핵심이죠.

 

그런데 독일군 장교로 복무하던 슈바르츠실트는

일반상대성이론 방정식을 보고

아주 이상한 점을 발견하게 되는데요.

슈바르츠실트는 뭘 발견한 걸까요?

 

“중력이 존재하는 모든 천체는

그곳을 탈출하기 위한 탈출 속도가 존재합니다.

이를테면 지구에서 공을 위로 던져서

우주로 탈출시키려면

초속 11.2km보다 빠른 속도로 던져야 하죠.

이는 강남에서 종로까지 1초 만에 이동하는 속도입니다.

유현진이 하늘로 아무리 공을 빠르게 던져도

공이 우주로 날아갈 수 없는 이유죠.

그런데 지구가 만약 현재의 질량을 유지한 채 부피가 줄어든다면

탈출 속도 또한 커지게 됩니다.

즉 탈출하기가 더 어려워진다는 뜻인데요.

그 이유는 지구의 질량 중심과 더 가까워졌기 때문입니다.

즉 여러분이 저와 더 가까워질수록

제 치명적인 매력에서 탈출하기 힘들 뿐...

이처럼 부피가 작아지고 밀도가 커질수록

탈출 속도 또한 커지게 됩니다.

그러면 부피가 계속해서 작아지면 어떻게 될까요?

그럼 탈출 속도도 계속 커져서

언젠가는 빛의 속도만큼 커질 수도 있지 않을까요?”

 

슈바르츠실트는 바로 이 크기를 수식적으로 도출해 냈던 겁니다.

“이 정도의 반경 안쪽에서는

빛을 포함한 어떠한 것도

밖으로 탈출할 수 없는 아주 기묘한 공간이 있지 않을까?”라고 생각했던 거죠.

 

블랙홀의 이론적인 개념이 탄생한 순간이었습니다.

하지만 아인슈타인은 이를 두고

수학적 상상 속에서나 가능하고

실제로는 있을 수 없다고 일축했습니다.

 

과학계 슈퍼 인싸였던 아인슈타인이 한 말이라서 그랬던 걸까요?

수십 년 동안 블랙홀은 그냥 공상과학 취급을 받았는데요.

이론적으로는 그렇다 쳐도

실제로 만들어지는 건 어렵다는 의견이 많았어요.

 

자, 그렇다면 블랙홀이 만들어지려면

어떤 일이 벌어져야 할까요?

 

 

--

태양은 엄청 무겁습니다.

대략 지구보다 33만 배 정도 더 무거워요.

당연히 중력도 그만큼 어마어마하겠죠.

태양은 자기 자신의 중력으로 인해 수축하려는 힘을 계속 받고 있습니다.

그런데 왜 작아지지 않는 걸까요?

 

그 이유는 태양의 중심에서

압력과 열로 인해서 핵융합 반응이 일어나고 있기 때문입니다.

쉽게 말해 태양 중심부에서는

대략 1초당 수소폭탄 수조개 정도가 터지고 있는 셈이죠.

 

즉 중력으로 인해 수축되려는 힘과

안에서 일어나는 폭발로 인해 밖으로 밀어내는 힘이

적당히 균형을 이뤄서

현재의 크기와 모양을 유지하고 있는 겁니다.

 

그러면 만약 태양 속에 있는 핵융합 원료를 다 쓰게 되면

어떻게 될까요?

더 이상 밖으로 밀어내는 힘을 낼 수 없기 때문에

점차 식어가며 중력에 의해 수축하게 됩니다.

 

이렇게 수축하던 태양은

지구 정도의 크기에 이르러서 수축을 멈추게 되죠.

이것을 백색왜성이라고 부릅니다.

즉 백색왜성은 태양 정도 되는 별의 시체라고 보시면 되는 거죠.

 

그런데 백색왜성은

핵융합을 하지 않는데 왜 더 수축하지 않는 걸까요?

정답은 바로 물질은 원자로 이루어져 있기 때문입니다.

원자가 사실 꽤 크거든요.

 

얼마나 크냐 하면 원자핵의 10만 배나 됩니다.

그래서 원자들이 아무리 밀도 높게 촘촘히 쌓여도

원자 자체의 크기들 때문에 더 작아지지 못하죠.

이렇게 원자의 기본 구조를 유지하려는 힘을

‘전자축퇴압’이라고 합니다.

 

그런데 태양보다 1.44배 이상 무거운 별의 경우

얘기가 조금 달라요.

중력은 너무나도 강해서 전자축퇴압을 압도하기 시작하죠.

 

우리가 알고 있는 원자의 기본 구조는

더 이상 유효하지 않습니다.

원자핵 주변을 돌고 있는 전자들은

강한 중력 때문에 원자핵과 합쳐져서

매우 새로운 입자인 중성자가 만들어지게 되거든요.

 

이건 우리가 그동안 알던 물질과는 전혀 다른 물질입니다.

이 상태의 밀도는

우리가 상상하기도 힘들 정도로 높아요.

하지만 아직도 수축을 막는 최후의 힘이 남아 있습니다.

 

바로 중성자들끼리 서로 겹치지 않게

밀어내는 희인 중성자축퇴압이죠.

우주에서 가장 강한 힘인 강력에 속하는 힘입니다.

 

이 힘은 아주 강력해서

어지간하면 굴복하지 않으며

최소한의 부피를 유지하게 해줘요.

 

그런데 중력이 너무 강한, 이를테면

태양보다 10배 이상 무거운 별의 경우엔 어떨까요?

이렇게 강한 중성자축퇴압조차 중력수축을 막을 수 없게 됩니다.

이제 우주에서 중력수축을 막을 수 있는 어떠한 힘도 존재하지 않는 거죠.

 

중성자들은 서로 겹쳐지며 한 점으로 모이게 됩니다.

이제부터 좀 무서운 일이 생깁니다.

더 이상 부피라는 개념이 존재하지 않아요.

 

사실 우리가 알던 물질과 그 부피라는 건

실체가 존재하는 게 아니었습니다.

결국 서로 밀어내는 힘일 뿐이었으니까요.

 

그런데 중력수축이 그 모든 힘을 압도해 버린 이 상황에서 남은 건

그저 끝없이 겹쳐지는 하나의 점 뿐입니다.

부피가 존재하지 않는 0차원

무한대의 밀도를 가지며 우리가 아는 어떠한 물리 법칙도 통용되지 않는 것

이것이 바로 블랙홀입니다.

 

 

로즈 펜로즈 경은

상대성이론의 방정식과

우리 우주에 존재하는 여러 상수들을 대입해 본 결과

블랙홀의 형성이 실제로도 가능하다는 것을

1965년에 수학적으로 증명해 냈습니다.

 

105년 전, 아인슈타인에 의해 중력의 정체가 밝혀지고

이듬해 슈바르츠실트에 의해서 블랙홀의 개념이 제시됐죠.

 

그로부터 50년이 지나서야

그것이 이론적으로 가능하다는 것이 증명된 것입니다.

아인슈타인 본인은 불가능하다고 했는데

아이러니하게도 이 증명은 아인슈타인의 일반상대성이론을

더욱 견고하게 만들어 주기도 했어요.

 

그러나 수십 년간 어느 누구도 블랙홀을 관측할 수는 없었습니다.

빛조차 빨아들이는 미지의 천체를 관찰할 방법은 없어 보였죠.

하지만 그로부터 다시 50여 년이 지난 최근

기술의 발달은 결국 보이지 않는 것조차 관찰해 내게 됩니다.

 

 

2019년에 역사적인 사진이 하나 공개됩니다.

전 세계 과학인들이 환호했죠.

바로 블랙홀의 실제 모습이 인류 최초로 공개된 것입니다.

 

전 세계 곳곳에 전파 망원경 8대를 하나로 연결해서

지구 크기의 렌즈를 구현해 내는

Event Horizon Telescope(이벤트 호라이젠 텔레스코프)

줄여서 EHT 프로젝트를 통해

블랙홀의 강착원반을 실제로 관측해 냈습니다.

 

우리나라에서도 한국천문연구원에서

이 프로젝트에 참여했는데요.

2014년에 개봉한 <인터스텔라>에 나온 블랙홀과 너무나도 흡사한 모습에

대중들도 놀라움을 감추지 못했습니다.

 

또한 독일 막스플랑크 연구소의 라이하르트 겐첼 박사는

오랜 기간의 노력을 통해

우리 은하계 중심에 있는 초고대 질량 블랙홀의 결정적인 증거들을 수집하는데

마침내 성공했습니다.

 

100여 년 전에 이론으로만 제시된 블랙홀이라는 상상 속에 존재가

이제서야 충분히 입증이 되었다고

과학계가 드디어 인정을 해준 것이죠.

 

결국 이론을 증명해낸 로저 펠로즈 경과

검증 과정에 큰 기여를 한 라이나르트 겐첼 박사, 안드레아 게즈 박사가

2020년 노벨 물리학상을 수상하는 영예를 누리게 되었습니다.

 

동시에 아인슈타인의 일반상대성이론의 완벽함도

다시 한번 검증이 됐죠.

노벨 물리학상은 실험적으로 검증된 이론에 대해서만 수상하기 때문에

그만큼 검증이 어려웠던 블랙홀 연구가

최초 수상을 하게 된 것은

과학 역사를 통틀어서도 정말 의미가 깊은 일이었습니다.

 

자, 그래서 오늘 영상을 한마디로 요약하자면 이겁니다.

아인슈타인은 역시 옳았다.