[에스오디 SOD] 컴퓨터가 블랙홀의 비밀을 풀어버렸다. (블랙홀은 머리카락이 없다)

 

 

스티븐 호킹은 생전에 말했습니다.

“블랙홀에도 빠져나올 구멍이 있다”

 

그는 블랙홀이라는 용어를 처음으로 사용했던 미국의 존 휠러가

“블랙홀은 모든 것을 파괴하므로 hair를 남기지 않는다”는 발언에 대해서

“블랙홀은 hair를 가지고 있다”고 주장했죠.

 

2016년 아인슈타인이 100년 전 예견한 중력파를 LIGO가 검출해낸 뒤

블랙홀 연구결과가 엄청나게 쏟아져 나오고 있습니다.

 

LIGO가 2016년 당시 발견한 중력파는

두 개의 블랙홀이 충돌할 때 발생 된 0.15초의 신호를 측정한 것인데요

중력파의 진폭은 10–21입니다.

 

즉 9400조 km의 길이가 머리카락의 두께 수준으로 변하는 정도이죠.

LIGO 검출기의 감도가 감히 잡히시나요?

 

아무튼 이 사실은 제가 과거에 올렸던 영상들에서도

또 다른 유튜버들도 수없이 다루어서

사골이 우려질 만큼 우려진 터라 이 정도만 하겠습니다.

 

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여러분, 여러분은 사람들을 어떻게 구분합니까?

그들은 생긴 것도 다르고 목소리도 다르고 키도 다르고 몸무게도 달라서

그냥 보면 구분이 됩니다.

 

그런데 블랙홀은 어떻게 구분합니까?

그들은 겉보기에도 똑같이 보이고, 모든 것을 끌어당기는 터라

당겨진 물체는 강력한 중력 아래 붕괴되어 버리죠.

 

그러나 살아남는 것이 딱 3가지 있습니다.

그게 바로 질량, 회전, 전하입니다.

 

즉 현재까지 알려진 바로는

블랙홀은 3가지 성질로 구분할 수 있으면

3가지 특성을 가질 수 있습니다.

 

블랙홀은 머리카락이 3가닥 밖에 없습니다.

한국어로는 ‘무모의 정리’라고 불리죠.

2003년 서울대를 졸업한 이충환씨가 쓴 블랙홀 이라는 책의 표현을 빌리면

블랙홀은 3가닥의 털만 남은 검은 구멍입니다.

 

물론 먼 미래에 블랙홀은 질량, 회전량 그리고 전하 뿐 아니라

다른 특성이 있다는 것도 발겨질 수는 있지만 아직은 아닙니다.

 

참고로 여러분이 아셔야 될 것은

‘무모의 정리’는 수학적으로 계산되고, 입증된 바는 있으나

직접 실제로 측정된 적은 없다는 사실입니다.

 

상식적으로 블랙홀이 부딪히는 소리, 정확히 말하면

중력파의 신호가 3년 전에 관측되었잖아요.

발견된 지 3년도 되지 않은 그 작은 신호를 분석하기는 쉬운 일이 아니죠.

이제야 막 블랙홀의 목소리를 들었는데

이 목소리의 파장부터 진동수까지 낱낱이 분석하는게 어디 쉽겠습니까?

 

과학자들은 블랙홀의 목소리를 관측 했을지언정

그들의 파장을 하나하나 파악하는 것

즉 진동을 해석하는 것을 이루어지기 어려운 목표라고 표현했습니다.

 

진동을 해석할 수만 있다면 앞에서 말한 무모의 정리를 입증함과 동시에

블랙홀 분석의 스펙트럼을 넓혀버릴 기초를 다지는 꼴이 되는 거죠.

 

볼 수가 없는 것을 분석하는 겁니다.

그런데 언제나 과학의 발전 속도는 사람이 생각하는 속도보다 빨랐습니다.

2018년 여름 칼텍의 대학원생 매튜 기슬러는

2개의 블랙홀을 충돌하는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여

여러가지 진동수를 가지는 신호들의 합을 얻어냈습니다.

 

...

 

여하튼 시뮬레이션을 이용한 결과는 매우 놀라웠으며

담당 교수인 사울 테콜스키는 무모의 정리를 뒷받침하는 방법으로

이 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 이용했습니다.

 

5명의 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 블랙홀 충돌 직후

파형이 크고 작아지는 것을 파악하였습니다.

 

또한 실제로 중력파를 검출했던 GW 150914의 관측 자료에 적용해보았죠.

그 결과, 연구진은 매우 높은 정확성을 가지는

블랙홀의 질량과 회전 데이터를 산출 해내었습니다.

 

보시는 그래프는 블랙홀의 질량과 그들의 회전값에 대한 그래프인데요

검은색 점선은 90%의 신뢰도를 가지는 영역입니다.

 

보시는 것처럼 같이 N=0인 경우를 제외하고

N=1과 2인 경우는 상당히 비슷한 파형을 보이는 것을 알 수 있습니다.

 

약간만 더 들어가겠습니다.

Ringdown Strain의 합은 급격하게 감소하는 사인함수의 합으로 표현되죠.

참고로 Ringdown은 두 개의 블랙홀이 하나로 합쳐지면서 발생한 피크가 작아지는 것을 의미합니다.

또한 중력파는 원래의 길이보다 얼마나 변회되었냐로 측정하며

이것을 Strain이라고 합니다.

 

블랙홀은 모든 사람들이 열광하는 신비한 천체이죠.

실제로 3년 전, 블랙홀의 중력파가 관측되었을 때

물리에 관심이 없던 사람들 조차도 환호를 했었죠.

 

우리는 정보를 알기 위해서는 빛을 해석해야 합니다.

블랙홀에서는 빛조차도 벗어날 수 없기 때문에 정보를 알아낼 수 없다고 생각되었죠.

 

그러나 불가능하다고 생각했던 것들이 점점 풀리고 있습니다.

그리고 블랙홀은 알 수가 없는 천체입니다.

볼 수도 없었고, 분석할 수도 없었습니다.

그저 상상의 영역에 속한 천체였죠.

그러나 이제는 흐릿하지만 볼 수도 있고, 또 분석할 수도 있습니다.

 

아인슈타인의 상상에서 시작된 과학이기에

아인슈타인의 말로 끝을 맺으려고 합니다.

 

그는 1929년에 말했죠.

“나는 상상력을 자유롭게 이용하는 예술가다.

상상력은 지식보다 중요하다.

지식에는 한계가 있다.

그러나 상상력은 모든 것을 아우른다.”