103년 만에 베일 벗은 ‘검은 구멍’… 천문학 연구의 새로운 장 열다

아인슈타인의 일반상대성이론이 발표된 지 104년, 블랙홀의 존재가 예측된 지 103년 만에 드디어 베일 뒤에 숨겨져 있던 블랙홀의 모습이 처음 공개됐다. 이번에 포착된 블랙홀은 지구에서 5500만 광년 떨어져 있는 처녀자리 은하단(團) 중심부에 존재하는 거대은하 M87 중심부에 있는 것으로 무게는 태양 질량의 65억배에 달하는 것으로 알려졌다.

‘이벤트 호라이즌 망원경’(EHT) 프로젝트 연구진은 전 세계 8개의 전파망원경을 하나로 묶은 가상의 전파망원경을 형성해 초대질량 블랙홀 관측에 성공했다고 10일 밝혔다. 2016년 중력파 검출 발표에 이어 3년이 지난 시점에 블랙홀이 실제로 확인됨에 따라 아인슈타인의 일반상대성이론으로 예측됐던 현상들을 모두 발견하게 된 셈이다. 이 때문에 과학자들은 “일반상대성이론의 궁극적 증명에 이르렀다”는 평가를 내리고 있다.

이날 블랙홀 포착 소식은 세계표준시(UT) 기준 10일 오후 1시(한국시간 10일 오후 10시)에 벨기에 브뤼셀에서 유럽연구이사회, 유럽남방천문대(ESO), 독일 막스플랑크 전파천문연구소 연구진이 나서고 덴마크 린그비, 칠레 산티아고, 중국 상하이, 일본 도쿄, 대만 타이베이, 미국 워싱턴DC의 각국 연구진들을 위성으로 연결해 동시 기자회견을 열고 연구 결과를 공개했다.인류 최초로 블랙홀 모습을 포착한 이번 연구에는 전 세계 200여명의 천문학자가 참여했으며 이 중에는 국내에서 활동하는 연구자 8명과 외국에서 활동하고 있는 한국인 과학자 2명이 포함됐다. 이번 연구 결과는 천체물리학 분야 국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’ 4월 10일자 특별판에 6편의 논문으로 게재됐다.

영화 ‘인터스텔라’에서 묘사된 블랙홀을 비롯해 수많은 SF나 TV 과학다큐멘터리 등에서 지금까지 보여 준 블랙홀은 모두 수학적·물리학적으로 계산하고 추정해 그린 ‘상상도’라고 할 수 있다.

이번에 ‘진짜’ 블랙홀 모습을 포착해 낸 EHT는 미국 하와이에 있는 SMA, JCMT, 애리조나 SMT, 멕시코 푸에블라 LMT, 스페인 안달루시아 IRAM, 칠레 아타카마 ALMA, APEX, 남극 SPT 등 전 세계 8개의 전파망원경을 연결한 가상의 전파망원경이다. ‘초장거리 간섭계’라고도 불리는 EHT는 전파망원경 8개를 연결해 1.3㎜파 파장대에서 거대한 지구 규모의 가상의 망원경을 만든 것으로 프랑스 파리 카페에서 미국 뉴욕에 있는 신문의 글자를 읽을 수 있을 정도의 해상도를 갖고 있다.

EHT는 블랙홀의 외부 경계면인 ‘이벤트 호라이즌’(사건의 지평선)을 관측해 왔으며 관측 데이터들은 미국 매사추세츠공과대(MIT)와 독일 막스플랑크 전파천문연구소에서 분석됐다.

EHT가 5일간 관측해 얻는 데이터는 대략 4페타바이트(PB) 분량으로 MP3 음악이라고 가정할 경우 재생하는 데만 8000년이 걸릴 정도로 방대하다. 이번에 블랙홀 포착에 활용된 데이터는 2017년 4월 5~14일 열흘간 수집된 것이다. 이처럼 엄청난 블랙홀 빅데이터를 분석해 이번에 그 결과를 발표한 것이다. 당초 2017년에 첫 사진을 발표할 예정이었지만 남극에 있는 SPT의 데이터 전달 문제 때문에 지연되면서 2년이 늦춰지게 된 것으로 알려졌다.

사실 빛조차 빠져나갈 수 없어 ‘검은 구멍’이라는 이름을 가진 블랙홀 영상을 찍기란 쉽지 않은 일이다.

블랙홀의 강한 중력은 블랙홀 외곽부인 이벤트 호라이즌 바깥을 지나는 빛도 휘어지게 만든다. 이 때문에 블랙홀 뒤편에 있는 밝은 천체나 블랙홀로 빨려 들어가는 천체와 물질들이 내뿜는 빛이 왜곡되면서 블랙홀 주위를 휘감게 된다. 이렇게 휘어지고 왜곡된 빛들은 우리가 볼 수 없는 블랙홀을 비춰 블랙홀 윤곽이 드러나게 만든다. 이번 EHT가 찍은 것도 엄격하게 따지면 블랙홀의 모습이라기보다는 블랙홀의 윤곽, 일명 ‘블랙홀의 그림자’이다. 연구팀은 방대한 관측자료를 보정하고 영상화 작업을 거쳐 고리 형태의 구조와 중심부의 어두운 지역인 블랙홀의 그림자를 발견했다.

EHT 프로젝트 총괄단장인 미국 하버드스미스소니언 천체물리센터 셰퍼드 도에레만 박사는 “시공간의 휘어짐, 초고온 가열 물질, 강한 자기장 등 물리적 요소를 포함시킨 컴퓨터 시뮬레이션과 관측 자료들이 놀랄 만큼 일치되는 것에 깜짝 놀랐다”며 “불과 한 세기 전까지만 해도 불가능하리라 여겼던 일을 이번에 수많은 과학자들의 협력을 통해 이뤄 냈다”고 말했다.

2016년 중력파 검출 발표 이후 이번 블랙홀 발견 소식은 과학자들은 물론 전 세계인들을 흥분에 휩싸이게 만든 과학사의 역사적 순간으로 기록됐다. 사실 ‘블랙홀’은 사회, 정치, 문화 등 과학 이외의 다양한 분야에서 많은 사람들이 흔히 사용하지만 블랙홀이 정확하게 어떤 형태이며 어떤 물리학적 의미를 갖는지에 대해서는 잘 알지 못한다.

블랙홀을 간단히 표현하면 표면 중력이 엄청나게 강한 천체이다. 블랙홀의 표면 중력은 너무 커 이를 벗어나기 위한 최소한의 속도인 ‘탈출 속도’ 크기가 광속보다 크다. 탈출 속도가 광속보다 크다는 이야기는 빛도 그 천체 밖으로 빠져나오기 어렵다는 말이다. 그래서 그 천체를 바라보면 어둡게 보이는 것이다.

중력법칙에 근거해 빛이 탈출할 수 없는 별에 대한 언급은 18세기 프랑스 수학자 피에르 시몽 라플라스가 처음 했다. 오늘날 이야기되고 있는 블랙홀은 1915년 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하고 이듬해 독일 천문학자 카를 슈바르츠실트가 상대성이론을 바탕으로 처음으로 예견했다. 슈바르츠실트의 예측에 따르면 블랙홀은 밀도와 중력이 무한대여서 모든 물질이 빨려 들어가는 ‘특이점’과 블랙홀 경계면이라고 할 수 있는 이벤트 호라이즌으로 구성돼 있다.

이후 “블랙홀은 생각만큼 까맣지 않다”는 말을 남기며 평생을 블랙홀 연구에 바친 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 로저 펜로즈와 함께 ‘특이점 정리’에 대한 증명을 통해 우주 곳곳에 블랙홀이 존재할 가능성이 있다는 것을 보여 줬다.

EHT 과학이사회 위원장 하이노 팔케 네덜란드 라드바우드대 교수는 “이벤트 호라이즌에서 빛이 블랙홀의 강력한 중력으로 휘어져 만들어진 그림자는 블랙홀이라는 매혹적인 천체에 대해 많은 것을 알려주고 있다”며 “이번 블랙홀 발견이 우주의 생성과 진화에 대해 더 많은 지식을 얻을 수 있는 계기가 될 것”이라고 설명했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr