[궁금한 S] 블랙홀은 우주 괴물?…블랙홀에 대한 '오해와 진실'

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다. 우주의 신비로운 현상을 이야기할 때 가장 먼저 떠올리게 되는 게 바로 '블랙홀'인데요.

하지만 블랙홀에 대해 잘못 알고 있는 사실이 있다고 합니다. 블랙홀에 대한 세 가지 오해와 진실에 대해 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

지난 2019년 과학계 최대 뉴스 중 하나가 '블랙홀 관측 성공'이었는데요. 빛의 띠가 둘린 블랙홀의 모습은 '빛나는 눈'이나 '도넛' 등의 애칭이 붙기도 했는데요.

블랙홀의 그림자를 볼 수 있었던 것은 각 대륙에 분포된 8개의 전파망원경 때문이었습니다.

전파망원경을 지구만 한 크기의 하나의 망원경처럼 작동하게 함으로써 거대은하 M87 중심부에 있는 블랙홀의 그림자 사진을 촬영할 수 있었던 것이죠.

블랙홀 사진은 시뮬레이션에서 자주 보고 예상했던 모습 그대로였어요. 일반상대성이론의 예측대로 중력의 영향 때문에 빛은 고리 모양으로 밝게 빛나며 가운데는 어두운 블랙홀 그림자가 자리하고 있었죠.

인류가 블랙홀에 한 걸음 더 가까이 다가간 만큼 블랙홀에 대해 정확히 알아보는 시간도 필요할 것 같은데요? 복잡하고 어려운 대상인 블랙홀에 대해 우리는 얼마나 알고 있을까요? 또 블랙홀에 대해 잘못 알고 있는 정보는 무엇일까요?

블랙홀은 중력이 매우 강한 천체로서 빛조차도 그 공간 속으로 빨아들이는 특징을 가지고 있습니다. 많은 분이 블랙홀의 이름인 Black 때문에 블랙홀이 실제로 관측이 가능한 검은색 구멍으로 존재한다고 상상하는데요. 실제로는 그렇지 않습니다.

블랙홀의 Black은 빛이 존재하지 않을 때의 블랙으로서 그 어떤 빛도 블랙홀이라는 천체에 부딪혀 빠져나오지 못해 우리에게 관측되지 않기 때문에 붙여진 이름입니다. 그래서 우리는 단지 빛으로 블랙홀을 관측할 수 없을 뿐, 사실 블랙홀의 색깔이 어떤 색을 지닌다고 단정 지을 수 없습니다.

우리가 블랙홀을 관측할 수 있는 가장 보편적인 방법은, 주변의 빛을 왜곡시켜 만들어지는 중력 렌즈 효과를 이용하거나 빈의 변위법칙에 따른 x-ray의 방사를 관측하는 것입니다. 그러나 엄밀히 말하면 사실 이 둘은 블랙홀을 관측하는 것은 아닙니다.

중력렌즈 효과는 주변의 별이 블랙홀의 천체 궤도로 진입했을 때 발생하는 빛의 휘어짐을, x-ray 방사는 블랙홀 속에 빨려 들어가는 물체가 엄청난 속도로 소용돌이치며 발생하는 에너지에 의한 전자기파의 방출을 관측하는 것에 불과합니다.

그래도 이러한 형태로라도 관측되기 때문에 보이지 않아도 그 존재를 알 수 있는 것이겠죠?

많은 분이 블랙홀 내부에서 시간이 멈춰있으리라 생각합니다. 이건 일반상대성이론의 등가원리에 대한 왜곡된 이해에서 온 오인이라고 보면 됩니다. 궁금한 S를 열심히 시청해주신 분들이라면, 특수상대성이론에 대해서 공부했다는 것을 기억하실 거예요.

시간은 누구에게나 절대적으로 똑같은 것이 아닌, 운동 상태에 따라 결정된다는 것인데요. 이는 말 그대로 상대적인 효과일 뿐이지 본인 스스로는 아무런 영향을 끼치지 못합니다.

우리의 몸을 완벽하게 보호해줄 수 있는 실린더가 있다고 가정해볼게요.

그 안에 인간이 들어가 블랙홀 속에 떨어진다고 하더라도, 실린더 안에 있는 인간은 평소와 별반 다를 게 없는 동일한 시간을 경험하게 됩니다.

아무런 특별한 일도 일어나지 않는다는 것이죠. 다만 블랙홀 밖에서 관측하는 우리한테는 그 실린더를 타고 들어간 사람의 시간이 영원히 정지해 보입니다.

이러한 공간을 우리는 '사건의 지평선'이라고 합니다. 너무나 빠른 가속의 영향 때문에 빛조차도 빠져나올 수 없어 시간 차원이 단절된 상대적 공간을 일컫는 말입니다.

즉, 사건의 지평선은 말 그대로 상대적으로 시간이 단절된 것뿐이지 실제로 시간이 멈춘 공간이 아니라는 것이죠.

얼핏 보면 빛조차도 빨아들이는 블랙홀은 정말 모든 것을 흡수하는 악랄한 천체라고 생각할 수 있어요.

그러나 이렇게 에너지를 점점 높은 상태로 흡수만 하는 물질은 열역학법칙에 의해 세상에 존재할 수 없는데요.

그렇다면 과연 블랙홀이 흡수한 물질이나 에너지는 다 어디로 간 것일까요?

이는 여러 설이 있는데, 최근 가장 합리적으로 받아들여진 이론은 영국의 저명한 물리학자인 스티븐 호킹의 이름을 딴 '호킹 복사'이론입니다.

40년 전, 1970년대 젊은 물리학자였던 스티븐 호킹 박사는 물체가 에너지를 방출하는 열복사를 한다는 사실에 착안해, 블랙홀 역시 열복사를 한다는 것을 이론적으로 증명했습니다.

호킹 박사는 이 이론을 발표하면서 전자기파를 방출, 흡수하는 과정을 통해 블랙홀의 온도를 측정할 수 있다고 설명했는데요.

그러나 블랙홀에서 방출하는 복사 에너지가 너무 미약해 과학자들이 관측을 통해 실제 블랙홀 온도를 측정하는 것은 거의 불가능했습니다.

그래서 이스라엘의 물리학자 제프 슈타인하우어 교수 연구팀은 블랙홀을 모방해 빛이 아닌 소리의 블랙홀을 구현했습니다. 이 '음향 블랙홀'을 통해 미약하게나마 음향이 복사에너지처럼 빠져나오는 현상을 관측했는데요.

물론 이 실험 장치가 실제 블랙홀은 아니라 그 결과가 호킹 복사 관측을 곧바로 입증하는 것은 아니지만, 우주의 거대하고 극한적인 현상을 실험 장치 안에서 구현했다는 것만으로도 의미가 있는 연구였죠.

오늘은 블랙홀에 대해 알아봤는데요. 우리 은하에서 추산되는 블랙홀 개수는 약 1억 개 정도로 추산된다고 합니다. 광활한 미지의 세계인 우주에 대한 탐구를 통해 앞으로 어떤 새로운 연구들이 나올지 기대가 되는데요.

그럼 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.