블랙홀은 딱딱하다? 사건의 지평선도 없다?? "No!!"
블랙홀은 딱딱하다? 사건의 지평선도 없다?? "No!!"
  • 이승아
  • 승인 2017.07.24 12:25
  • 조회수 8393
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

빨려들어가 : 일반 상대성 이론

 

블랙홀에 대한 많은 이론들이 있지만 가장 중요한 부분은 블랙홀에 ‘사건의 지평선(event horizon)’이 있다는 점입니다. 사건의 지평선은 어떤 물질이라도 그곳으로 들어가면 다시는 돌아올 수 없는 구역을 말하는데요. 

 

아인슈타인의 일반 상대성이론에 의하면 모든 블랙홀은 사건의 지평선을 가지고 있습니다. 중력이 강력해 빛조차도 빠져나올 수 없는 곳입니다.

 

하지만 일부 사람들은 사건의 지평선 존재 여부에 의심을 품는데요. 그 중 대표적인 사람이 바로 스티븐 호킹 박사입니다. 그는 2014년에 사건의 지평선이 양자론과 양립할 수 없다고 주장했습니다.

 

'겉보기 지평선'이란?

 

대신 일시적으로 물질과 에너지를 붙잡고 있는 ‘겉보기 지평선(apparent horizon)’ 개념을 제시했습니다. 2014년 KISTI가 발간한 <글로벌동향브리핑>에 따르면 이 겉보기 지평선은 물질과 에너지 포로를 일시적으로만 붙잡고 있다가 결국 풀어줍니다. 호킹은 “고전적인 이론에서는 블랙홀에서 탈출할 수 없다. 하지만 양자이론은 에너지와 정보의 블랙홀 탈출을 가능하게 한다”고 말했습니다.

 

사건의 지평선으로 빨려들어가는 별의 모습을 그린 그림. 출처: Mark A. Garlick

부딪혀 : 딱딱한 표면 이론

 

사건의 지평선 존재를 반박하는 또 다른 개념은 ‘딱딱한 표면 이론(hard surface theory)’입니다. 이 이론은 물질이 블랙홀 안으로 들어가면 블랙홀의 딱딱한 표면에 부딪혀 파괴된다는 이론입니다. 

 

블랙홀에 빨려들어가 질량체가 붕괴되는 지점인 ‘특이점’이 물리적 표면이 없는 지점이 아니고, 블랙홀은 딱딱한 표면을 가진 거대한 존재라는 이론이죠. 별과 같은 천체로 바라보는 건데요. 

 

정리하면 물질이 블랙홀로 빨려들어가는 것이 아니라 블랙홀에 부딪혀 파괴된다고 보시면 됩니다. 만약 이 이론이 사실이라면 물질이 붕괴하며 엄청난 빛이 발생해야 합니다. 하지만 사건의 지평선이 존재한다면 물질이 완전히 블랙홀 안으로 빨려들어갔기 때문에 잠깐의 반짝이는 빛조차도 존재할 수 없습니다.

 

블랙홀이 딱딱한 표면을 가졌다면 이런 모습? 출처: Mark A. Garlick

사건의 지평선 존재를 탐구하다

 

블랙홀에 사건의 지평선이 있는지, 혹은 딱딱한 표면이 있는지를 알아 볼 수 있는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫째는 블랙홀을 직접 관측하는 겁니다. 지금 당장은 관측할 수 없지만 천문학자들이 블랙홀을 직접 관측하기위해 ‘사건의 지평선 망원경(EHT ; Event Horizon Telescope)’을 개발하고 있습니다.

 

하지만 텍사스 대학과 하버드 대학의 천문학자들은 사건의 지평선 망원경이 실제로 블랙홀을 관측할 때까지 기다릴 수 없었나 봅니다. 그들은 다른 방법으로 블랙홀의 기본 이론을 평가했습니다. 그리고 MNRAS(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 저널에 “아인슈타인의 이론이 타당했다”고 밝혔습니다.

 

텍사스 대학의 천체물리학 교수 Pawan Kumar 박사는 “우리는 사건의 지평선이 실제로 존재하는지 찾아내고자 실험을 실시했다”며 “블랙홀에 사건의 지평선이 있다는 실체있는 증거를 찾는 것"이 연구의 동기였다고 전했습니다.

 

딱딱한 표면을 가졌을 경우 충돌 이후 블랙홀의 모습. 출처: Mark A. Garlick

블랙홀이 딱딱하다면 빛이 터져야

 

Kumar 교수의 연구진은 천체가 블랙홀의 딱딱한 표면에 부딪혔을 때 망원경을 통해 무엇을 보게 될지 연구했습니다. 만약 블랙홀에 딱딱한 표면이 존재한다면 빨려들어온 물질과 부딪히면서 천체의 기체가 블랙홀을 감싸 최소 몇 달간 블랙홀이 빛나야 합니다.

 

연구진은 별이 거대질량 블랙홀로 빨려들어 가는 비율을 계산했습니다. 또, 딱딱한 표면 이론의 가정 하에서 망원경이 거대한 불빛을 얼마나 자주 관측했어야 했는지 따져봤습니다. Kumar 박사와 함께 연구에 참여한 텍사스 대학의 대학원생 Wenbin Lu는 “별이 거대질량 블랙홀에 빨려들어가는 비율을 계산했더니 거의 모든 은하의 블랙홀에 하나씩은 빨려들어갔다”며 “태양 질량의 100배 이상인 블랙홀만 추려냈더니 이런 블랙홀들이 지구와 몇 억 광년 안의 거리에 100만 개는 있었다”고 말했습니다.

 

Pan-STARRS 망원경. Copyrighted by PS1SC.

연구진은 하와이 Pan-STARRS 망원경의 관측 자료 기록물을 조사했습니다. 이 망원경은 주로 먼 곳에서 발생하는 빛과 그 반짝임을 관측하는데요. 연구진은 이 자료를 이용해서 딱딱한 표면 이론의 가설 하에 존재해야 할 빛의 신호를 찾으려고 했습니다. Lu에 따르면 “딱딱한 표면 이론이 사실이라면 지난 3.5년간 이 망원경을 가동하면서 10개 이상의 빛을 관측했어야 했다”고 하는데요.

 

하지만 10개는커녕 한 개의 관측도 없었습니다. 딱딱한 표면 이론을 지지할 만한 빛은 단 하나도 없었습니다. 연구진은 “빛을 발견하지 못했다는 것이 사건의 지평선이 실존한다는 것을 지지하는 내용”이라며 “물질이 블랙홀에 빨려들어가 완전히 사라진 것”이라고 설명했습니다.

 

일반 상대성 이론의 승리!?

 

연구에 참여한 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 이론가 Ramesh Narayan 박사는 “이 연구가 사건의 지평선이 존재함을 암시하고 있으며 물질은 ‘볼 수 있는 우주의 영역’을 벗어나 사라진다”고 말했습니다. 그는 “일반 상대성 이론이 비판적 테스트를 극복했다”고 이야기했습니다.

 

물론 한 연구를 가지고 모든 학자들을 만족시킬 수는 없는 법이죠. 연구진은 Pan-STARRS 보다 더 거대한 LSST(Large Synoptic Survey Telescoper)을 이용해 연구할 계획입니다. LSST도 Pan-STARRS와 마찬가지로 우주의 빛을 관측하는 망원경입니다. LSST는 아직 수리 중이기 때문에 바로 진행할 수는 없다고 합니다.



댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트