Singularity 블랙홀의 관측

알파고가 바둑을 이겼던 16년도에 특이점이 온다는 키워드가 유행했었습니다. 사실 이 특이점 이온 다는 말은 미래학자 레이 커즈와일의 '특이점이 온다(singularity)'라는 책에서 나온 단어입니다. 이 책에서는 4차 산업시대에 인공지능이 인간의 지능을 넘어서는 시점이 오면 그 이후의 기술발전 속도는 우리가 지금 예측할 수 없을 정도로 발전할 것이다 라는 의미로 특이점을 사용한 겁니다. 왜 singularity 즉, 특이점이라는 단어를 사용한 것일까요?? 이 Singularity이라는 단어는 블랙홀에서 따온 말입니다. 아인슈타인이 중력은 질양에 의해 시공간이 휘어지는 결과라고 예측을 했었는데요,이 시공간은 믄 질량이 작은 공간에 밀집될수록 높아집니다. 그리하여 아인슈타인은 이걸 토대로 질량과 밀도에 따라 어느 정도의 중력가속도가 발생하는지 계산할 수 있는 공식을 만들게 되었습니다. 이를 중력장 방정식이라고 부릅니다. 

 

 

이 공식이 공식적으로 발표된 이후 우리는 물체의 질량만알면 그 주변의 중력가속도를 계산할 수 있게 되었을 뿐만 아니라 그것을 토대로 질량과 밀도를 계산할 수 있게 되었습니다. 이런 엄청난 물리학의 발전을 두고 존 휠러는 다음과 같이 이야기합니다. "물질은 시공간이 어떻게 휘어질지를 알려주고, 시공간은 물질이 어떻게 움직여야 할지를 알려준다."

슈바르츠실트라는 과학자는 아인슈타인의 방정식에 극한의 조건을 테스트하기 시작합니다. 질량과 밀도가 높아질수록 중력가속도가 증가한다면, 어느 순간 중력가속도가 빛의 속도를 넘어서는 구간이 생기는 게 아닐까...? 그리고 예상대로 중력가속도가 빛의 속도를 넘어서는 최소 조건을 구해내서 논문으로 기재됩니다. 그러나 이듬해에 슈바르츠실트는 사망하게 되고 비운의 천문학자가 됩니다..

 

 

*블랙홀의 관측

아무튼 특수상대성이론에 의하면 빛의 속도보다 빠른 속도는 존재할 수 없는데요, 시공간의 휘어짐으로 중력가속도가 광속을 넘을 수 있다는 사실은 아인슈타인에게는 큰 충격이었습니다. 그는 이에대해 '그렇게 큰 질량과 높은 밀도는 우주에 존재하지 않는다. 따라서 블랙홀은 이론상에만 존재할 것이다.'라고 이야기합니다. 그렇다면 블랙홀은 무엇일까요? 블랙홀은 검은색 별이라고 알려져 있지만 사실은 다릅니다. 블랙홀은 시공간이 휘어진 곡률이 너무 커서 빛의 속도로 빠져나올 수 없으므로, 그 누구도 관측할 수 없습니다. 그러나, 90년대에 우리은하 중심을 관찰하던 켁망원경에 의해 블랙홀이 포착이 됩니다. 도대체 빛조차도 빠져나올 수 없는 그 블랙홀을 어떻게 관측할 수 있었을까요? 아무것도 없는 빈 공간을 중심으로 공전하는 수많은 별들을 발견하였습니다. 중력가속도는 질량과 비례하기 때문에 이런 거리에서 이렇게 빨리 공 전하기 위해서는 어마어마하게 질량이 큰 무언가가 중심에 있어야 했습니다.

 

 

 

과학자들이 계산한 결과 이  물체의 질량을 태양 100만 배에 달하는 것으로 밝혀졌고 그 물체가 중앙에 있었던 것이었습니다. 결국 과학자들은 여러가지 검증을 통해 이 물체가 중력이 너무 강해서 물질을 지탱하는 3가지 힘이 중력을 이기지 못하는 상황, 즉 그것 이바로 블랙홀임이 밝혀졌습니다. 너무나 소름이었던 게 아인슈타인조차도 실존하지 않을 거라던 그 블랙홀이 실제로 관측이 된 겁니다. 그렇다면 이런 블랙홀은 어떻게 생길까요? 일단 우리의 몸을 포함한 주변 물질은 분자구조로 이뤄져 있는데요, 이런 분자들은 원자라 고하는 중심에 핵과 외곽에 전자로 구성되어있습니다. 그런데 이런 원자들은 사실 전부 빈 공간으로 이뤄져있다고 해도 과언이 아닙니다. 이런 빈 공간을 채우면서 가까워지지 않는 이유는 자석을 떠올리면 됩니다. 자석이 같은 극끼리 마주대면 서로 밀어내는 척력이 발생합니다. 이 힘 덕분에 원자들이 더 이상 가까워지지 않아서 붕괴되지 않고 버티게 되는 것이죠. 

 

 

*블랙홀임을 인증하는 여러이유들

그런데 태양보다 훨씬 큰 별이 수명 이다해 폭발할 때 내부로 엄청난 압력이 작용하는데, 이 힘이 일정 수준 이상으로 커지면 이 전자기력이 원자들 간에 서로 밀어내는 힘을 이기게 됩니다. 그러면 모든 원자들은 양성자와 전자의 구분이 사라지게 되고, 중성자만 남는 무지막지한 상태가 됩니다. 이 중성자는 밀도가 우리가 알고 있는 주변 물질보다 훨씬 높아서 티스푼만큼의 무게가 에베레스트산의 무게와 동일할 정도입니다. 이게 바로 중성자별입니다. 그리고 이 중성자별의 구조를 지탱해주는 우주의 마지막 남은 힘이 핵력인데요, 이 핵력을 이겨내는 힘이 가해지면, 이 물질이 중력으로 인해질 점으로 수축하는 힘을 막아줄 힘이 우주에는 존재하지 않게 됩니다. 물질이 계속 수축하는데 그 힘을 막아줄 힘이 우주에 없으므로, 이 물질은 무한대로 수축하게 됩니다. 결국 우주의 모든 물질의 구성은 잡아당기는 힘과 밀어내는 힘의 균형으로 유지가 되는 것인데, 이렇게 막대하게 커진 중력이 이 균형을 깨버리고 잡아당기는 힘만 존재하여 모든 물질의 우주의 구조가 유지될 수 없는 지점을 만들어 내는데, 그곳이 바로 블랙홀인 겁니다. 블랙홀은 한마디로 뭐든지 다 빨아들이는 우주의 핫플레이스인 셈이죠. 하지만, 이렇게 모든 것을 다 빨아들이면 빛이 전혀 나오지 않아야 하는데, 양자역학 효과로 블랙홀이 완전히 검지 않다는 것을 스티븐 호킹이 밝혀내게 되는데, 이 부분은 양자역학 파트에서 설명하겠습니다.