블랙홀은 과연 블랙인가(사이언스 갤러리 1)

200년간 과학자들의 상상 속에서만 존재했던 블랙홀이

우주를 이해하는 핵심이 되기까지의 흥미진진한 이야기

얼마 전 큰 인기 속에 막을 내린 SBS 드라마 《별에서 온 그대》의 마지막 회에 '웜홀'이라는 용어가 등장해 관심을 끈 바 있다. 김수현이 맡은 주인공 도민준이 다른 별로 돌아가 있다 '웜홀'을 통해 다시 지구로 돌아와 전지현, 즉 여주인공 천송이를 만나는 장면이었다. 도민준은 "3년 전 이곳을 떠날 때 난 어딘가로 빨려 들어갔죠. 일명 웜홀이죠. 그곳에서 모든 걸 회복한 후 다시 돌아오려 했어요. 어차피 나에겐 그곳의 길고 긴 시간은 필요 없었어요. 지구에서의 짧은 시간만이 필요했죠"라며 천송이에 대한 사랑을 고백한다.

드라마에서 '웜홀(Worm hole)'은 남녀 주인공의 사랑을 이어주는 통로로 사용되었지만, 천문학에서는 '블랙홀'과 '화이트홀'을 이어주는 통로로 이해되고 있다. 간단히 말하면 블랙홀(Black hole)은 중력이 너무 커서 빛조차도 빨아들여서 빠져나갈 수 없게 하는 천체, 화이트홀(White hole)은 반대로 빛과 물질을 모두 내뿜기만 해서 결코 내부로 들어갈 수 없는 천체를 가리킨다.

물론 화이트홀도 웜홀도, 드라마처럼 아직은 '허구'와 '가상'의 대상일 뿐이다. 하지만 이들과 달리 블랙홀은 과학적으로 그 존재가 입증된 '실체'이다. 블랙홀도 한 때는 가상의 천체로서 과학자들의 상상 속에서만 존재한 적이 있었다. 200년 전 프랑스의 유명한 과학자인 피에르 시몽 라플라스(1749~1827)는 이렇게 말했다.



"하늘에는 암흑의 천체들이 존재한다.

그 천체들은 항성만큼이나 크고, 항성만큼이나 많을 것이다."



이 암흑의 천체들이 바로 블랙홀이다. 하지만 이제 블랙홀은 더 이상 가상의 존재가 아닐뿐더러 그것이 가진 비밀들이 하나씩 벗겨지면서 우주를 이해하는 주요한 '열쇠'로 자리잡았다. 우주의 기원과 우주의 진화과정을 이해하는 데 결정적인 기초가 될 뿐 아니라 별의 특성 등을 연구하는 데도 크게 기여하고 있는 것이다.

블랙홀이라는 말이 대중화된 데는 '휠체어 위의 물리학자' 스티븐 호킹의 역할도 컸다. 그는 블랙홀은 빛조차도 빠져나갈 수 없다는 과학적인 통념에 반대해 빛이 빠져나올 수 있다고 주장하면서 "블랙홀은 완전히 블랙만은 아니다(블랙홀은 검기만 한 것은 아니다)"라는 말을 남기기도 했다.



아직도 모르는 것이 더 많은 블랙홀

≪블랙홀은 과연 블랙인가≫는 어떻게 블랙홀이 아무도 믿지 못하던 가설상의 천체에서 우주 진화의 주역으로 인정받게 되었는지 230년에 걸친 파란만장한 역사를 살펴보며 블랙홀의 비밀을 찾아간다. 그동안 수많은 과학자들의 노력으로 블랙홀의 존재와 그 신비에 대해서 많은 것을 알게 되었지만 아직도 모르는 것이 더 많다. 실제로 블랙홀과 관련하여 밝혀지지 않은 많은 의문들과 가설들이 제기된다. 블랙홀의 반대 개념으로 화이트홀이 등장하였는가 하면, 블랙홀과 화이트홀이 연결된 웜홀을 상상하기도 한다. 또 웜홀을 통하여 시간 여행을 꿈꾸고, 다른 우주로 갈 수 있다는 상상을 하기도 한다. 또 어떤 학자들은 이들을 설명하기 위해 다중 우주 이론을 내놓기도 한다. 이처럼 이 책은 블랙홀의 존재를 예측하게 된 사연에서부터, 블랙홀 후보를 탐사하기에 이르기까지, 블랙홀의 신비를 찾아 떠난 과학자들의 뜨거운 열정과 그 결과를 흥미진진하게 펼쳐 보이고 있다.

블랙홀은 이론적으로 먼저 알려진 천체다. 대부분의 천체들이 관측을 통해 먼저 발견된 것과 달리 블랙홀은 인간의 상상력을 통해서 먼저 알려진 천체다. 블랙홀의 존재 가능성이 처음 제기된 때는 지금부터 230여 년 전이다. 블랙홀은 '보이지 않는 별,' 다시 말해 '검은 별'이라는 이름으로 등장하였다. 블랙홀은 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 함께 널리 알려졌지만 블랙홀의 존재를 처음 예측한 과학적 근거는 뉴턴의 중력 이론이었다.

영국의 지질학자 존 미첼은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 등장하기 133년 전에 뉴턴의 중력 이론을 이용하여 보이지 않는 '검은 별'이 우주 안에 존재할 수 있다는 이론을 발표했다. 하지만 '검은 별' 이론이 처음 등장했을 때 그 존재를 믿는 과학자는 아무도 없었다. 그것은 단지 이론상으로만 가능할 뿐 현실에서는 존재하지 않는 천체로 취급되었다.

1915년에 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 발표되자마자 곧바로 특이점의 형태로 블랙홀 개념이 다시 등장하였다. 그러나 과학자들은 특이점은 단지 자연을 수학적으로 단순화할 때 나타나는 문제로 간주하고, 현실에서는 블랙홀이 나타나지 않을 것이라며 다시 무시해 버렸다. 그리고 다시 50여 년이 지난 후 새로운 관측 기술의 도움으로 블랙홀의 존재를 시사하는 특이한 천체들이 잇달아 발견된다. 이제 천문학자들과 물리학자들은 더 이상 블랙홀을 가설상의 천체로만 생각할 수 없다는 사실을 깨닫게 된다. 이후 블랙홀에 대한 연구가 비로소 본격적으로 시작되었다.

오늘날 블랙홀은 우주에 실재하는 천체일 뿐 아니라 우주 진화의 핵심 주역으로 생각될 정도로 그 위상이 높아졌다. 블랙홀은 천체로서 인정받기까지 200년 가까운 시간이 걸렸다. 블랙홀은 엉뚱한 상상이나 황당무계한 공상의 산물이 아니다. 당대의 정통 과학 이론에 바탕을 둔 과학적인 이론이며, 어느 누구도 감히 그런 생각을 할 수 없던 시대에 인간의 뛰어난 상상력이 빚어낸 산물인 것이다.

1 전시실: 블랙홀의 역사

보이지 않는 별 | 일반 상대성 이론의 특이점 | 별의 죽음으로 태어나는 블랙홀 | 고중력 천체들의 발견 | 블랙홀의 전령, 퀘이사 | 블랙홀이라는 이름을 얻다 | 블랙홀은 '블랙'이 아니다



2 전시실: 블랙홀의 이론

뉴턴의 중력 이론으로 본 블랙홀 | 특수 상대성 이론과 시공간 | 일반 상대성 이론과 중력 | 중력 붕괴와 슈바르츠실트 반지름 | 여러 가지 블랙홀 | 블랙홀은 어떻게 찾을 수 있나



3 전시실: 블랙홀의 특성

사건의 지평선 | 중심의 특이점 | 블랙홀의 엔트로피와 온도 | 블랙홀의 증발 | 블랙홀 속으로의 여행



4 전시실: 항성 블랙홀

별의 생성 | 별의 진화 | 질량이 작은 별의 종말 | 초신성과 중성자별 | 중성자별의 발견 | 블랙홀의 형성 | 은하계 안의 항성 블랙홀



5 전시실: 초대질량 블랙홀

활동 은하핵을 가진 은하, 활동 은하 | 블랙홀의 전령, 퀘이사 | 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 | 우리 은하 중심에도 초대질량 블랙홀이 있다 | 거대 블랙홀과 은하의 관계 | 중간 질량 블랙홀



6 전시실: 미니 블랙홀

미니 블랙홀 | 원시 블랙홀 | 암흑 물질과 미니 블랙홀 | 인공 블랙홀



7 전시실: 블랙홀에 빠진 과학자들

미첼과 라플라스 | 아인슈타인과 슈바르츠실트 | 에딩턴과 찬드라세카르 | 호킹과 베켄슈타인



8 전시실: 블랙홀은 우주의 끝인가

감마선 폭발과 블랙홀 | 양자 중력과 블랙홀 | 엔트로피와 정보 상실의 역설 | 화이트홀과 웜홀 | 블랙홀 시간 여행

김충섭 저자 김충섭은 서울대 물리학과를 졸업하고 같은 대학원에서 박사 학위를 받았으며 현재 수원대학교 물리학과 교수이다. 지은 책으로는 ≪우주의 발견≫, ≪메톤이 들려주는 달력이야기≫, ≪로슈가 들려주는 조석이야기≫ 등이 있으며, 옮긴 책으로는 ≪천재들의 과학노트: 천문우주과학≫, ≪누구나 천문학≫ 등이 있다.