문화상대성 이론과 중력붕괴 그리고 퀘이사 드디어 블랙홀.jpg

(이 글은 블랙홀의 성질이나 구조, 지평선 등의 흥미로운 점을 다루지 않으며, 블랙홀 이론의 발달 과정에 대한 지루한?? 역사를 설명합니다)
블랙홀은 21세기를 살고 있는 우리들에게 꽤 익숙한 천체입니다.
당연히 우주에 존재하고 그것도 아주 많이 존재하며
웬만한 은하의 중심에는 블랙홀이 존재하고 있다는 것도 잘 알려진 사실입니다.
게다가 블랙홀을 다루는 소설 및 영화 등의 매체들로 인해 어쩌면 매우 친숙해진 천체이기도 합니다.
그러나 블랙홀이 실제로 모든 과학자와 일반인들에게 인정되기 까지는 상당히 오랜 시간이 걸렸으며 
블랙홀의 존재를 믿지 못하거나 이론적으로 반대하는 물리학자, 천문학자들도 대단히 많았습니다.
심지어 상대성 이론의 아버지인 아인슈타인 조차 우주 공간에 블랙홀이 존재한다는 것에 회의적이었습니다.
그러나 여러 천체물리학자들이 작성한 상대성 이론으로부터 파생된 아름다운 논문들의 해석이 가리키는 바와
빠르게 발전하는 전파 및 엑스선 관측기술이 불러온 관측 결과 역시 블랙홀의 존재는 피할 수 없는 것이였으며
결국 블랙홀은 실재하는 것으로 증명되었습니다.
이 역사적 과정을 좀 더 이 글에서 자세히 풀어보고자 합니다.
1. 카를 슈바르츠 쉴트의 일반 상대성 이론 방정식의 해

(Karl Schwarzschild, 1873.10.09 ~ 1916.05.11)
카를 슈바르츠쉴트는 알버트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 후 불과 한 달도 되기 전에 아인슈타인이 발견하지 못 한 일반 상대성이론 방정식의 '완전한 해'를 구합니다.
아인슈타인이 수학에 상대적으로(상대적임. 상대적입니다. 상대적~!!) 약해서 방정식의 해를 정확하게 구하지 못 했지만, 슈바르츠쉴트는 아주 쉽게(그의 기준으로...) 그 해를 풀어내게 됩니다.
(아인슈타인도 극찬함)
사실 슈바르츠쉴트는 평면좌표보다는 원래 구면기하학이나 유사구면기하학에 대한 관심이 상대성 이론과 관련없이 그 전부터 대단히 많았기 때문에 상대성 이론이라는 정의가 주어진 후 입체적으로 해를 구했습니다.
그런데 완벽한 것처럼 보이는 그의 좌표계는 뭔가 이상한 점이 있었습니다.
그것은 바로 만약 중력으로 인해 질량이 아주 작은 크기로 압축 되었을 때 '아무것도 탈출할 수 없는' 구형 공간이 필연적으로 생긴다는 것을 발견하게 됩니다.
'아무것도 탈출할 수 없는 공간'이라는 말 어디서 굉장히 많이 들어본 말일 겁니다.
사실 지금은 '슈바르츠쉴트 특이점'이라고 불리는 우리가 다 아는 '그 무엇'의 특이점에 관해 명확한 설명이 되는 아주 우아한 방정식이었는데
아인슈타인은 물론 슈바르츠쉴트 본인 조차도
'이게 정말 실제 세계에 존재할 수 있는 것일까?'
'방정식이 이 부분은 잘 설명 못 해 주는 것 아닐까?',
'자료 부족이나 오류가 있는 것 아닐까?'
라고 의심하기도 하였습니다.
안타깝게도 슈바르츠쉴트 본인은 저 논문 발표 후 4개월만에 전쟁에서 욕창으로 일찍 죽는 바람에(1916.05.11) 그 진실을 알지 못 했지만
지금 우리는 모두 알고 있을 것입니다. 저 특이점이 무엇인지.
카를 슈바르츠쉴트는 (본인도 의심하였지만) 결코 틀리지 않았습니다.
이 우주에 저 특이점은 존재합니다.
2. 수브라마니안 찬드라세카르의 밀집성 연구

(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910.10.19 ~ 1995.08.21)
인도 출신 물리학자이자 수학자인 찬드라세카르는 백색왜성의 연구에서 한 별이 그 핵의 무게가 태양 무게의 약 1.4배를 넘지 않는다면 백색왜성으로 진화한다는 것을 발표하고 이는 망원경의 발전과 함께 많은 백색왜성들의 발견으로 증명이 되었습니다.
이 자체로도 엄청나게 위대한 업적인데
찬드라세카르는 여기서 더 큰 의문을 가지게 됩니다.
핵의 무게가 태양의 1.4배가 훨씬 넘는 더 크고 거대하고 무거운 별의 마지막에 대한 물음이 그것입니다.
그의 연구 결과(사실 수학으로만 다 함...)
'중심의 밀도가 충분히 높으면 그 배열 형태는 반지름이 아주 작아져서 천체물리학적으로 어떤 실제적 의미도 가지지 못 하게 될 것이다'
라는 결론을 내게 됩니다.
어디서 많이 들어본 듯한 결론입니다.
특히 찬드라세카르의 연구는 특수 상대성 이론과 양자 역학을 결합해 나오는 것이라서 더 큰 의미가 있었지만, 오히려 양 측에게서 더 큰 반발을 불러 일으키게 됩니다.
사실 그 반발의 이유는 어쩌면 상대성 이론 전문가들은 양자역학을 잘 모르고, 양자역학 전문가들은 상대성 이론을 잘 몰라서 나온 것이기 때문일지도 모르겠습니다.
이런 식으로의 결합은 양 측 다 바라지 않는 것이기도 했고요.
하지만, 지금 우리는 모두 알고 있을 겁니다.
위에서 언급한 '중심의 밀도가 아주 높은 밀집성의 반지름이 작아져서 실제적 의미를 가지지 못하는 것'이 무엇인지요.
찬드라세카르는 결코 틀리지 않았습니다.
물리적 세계에 저 반지름이 작아져서 실제적 의미를 갖지 않는 곳은 분명히 존재합니다.
3. 줄리어스 로버트 오펜하이머의 별의 죽음에 대한 연구

(Julius Robert Oppenheimer, 1904.04.22 ~ 1967.02.18)
로버트 오펜하이머(그 맨해튼 계획의 오펜하이머 맞습니다)는 원자물리학과 핵물리학 이론 분야의 연구를 하다가 그냥... 곁다리로 우주의 연구를 하게 되었습니다.
사실 핵융합 연구(태양이 어떻게 에너지를 만들어 내냐의 과정)에 몰두하다가 좀 시기가 늦은 바가 있어(다른 물리학자가 이미 유의미한 성과를 냄) 별의 죽음으로 관심을 돌렸다고 해도 틀린 말은 아닐 것입니다.
하틀랜드 스나이더라는 대학원생은 오펜하이머의 지휘 아래 한계를 넘어서 붕괴하는 중성자별에 어떤 일이 일어나는지 알아보라는 과제를 받고 연구를 진행했는데,
이는 아주 '기이한 것'의 탄생이라는 결과를 만들어 내게 됩니다.
그 아주 '기이한 것'이란 '연속적인 중력 수축'을 의미하는데, 
한 거대하고 무거운 별이 핵융합이 끝나게 되면 별 중심부는 자체 중력을 견딜 수 없고 별의 잔해가 수축하게되는데, 
어느 질량을 넘어서면 백색왜성, 중성자별이 되지도 않는 '연속적인 중력 수축'을 불러 일으키게 된다고 예측하게 됩니다.
그리고 결국 밀도가 무한대이고 부피가 0인 하나의 점이 되어 버립니다.
그런데 이는 물리학자들이 가장 두려워하는 것으로 이 점에서는 모든 물리학의 법칙이 붕괴되기 때문입니다.
어쩌면 물리학자들이 할 수 있는 것이 그 점에 관하여는 아무것도 없기 때문에 두려워 하는 것일지도 모르겠습니다.
하지만 물리학자들이 두려워 하든 말든,
지금 우리는 그 '연속적인 중력 수축'과 '밀도가 무한대이고 부피가 0인 하나의 점'이 무엇인지 잘 알고 있습니다.
로버트 오펜하이머는 결코 틀리지 않았습니다.
이 우주에는 오펜하이머의 연구처럼 연속적인 중력 수축으로 인해 밀도가 무한대이고 부피가 0인 하나의 점이 존재합니다.
(사실 로버트 오펜하이머를 틀렸다고 하는 사람은 거의 없었습니다. 이 분 권위가 장난이 아니라서요. 그리고 논문 내자마자 전쟁이 나서 묻혀버리기도 했고, 본인도 이게 아주 위대한 연구성과가 아닌 '대학원생 수준'의 논문 정도라고 생각하기도 했습니다. 블랙홀을 예측 한 논문이 '대학원생 수준...' 이래요...)
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우리는 1, 2, 3 에 나오는 중력 붕괴 모델이 바로 우리가 현재 '블랙홀'이라고 부르는 것이며, 
저 논문들이 블랙홀에 대한 거의 완벽한 이론적 설명이 분명하고,
또한 발달된 관측 기술의 결과로 블랙홀이 이 우주에 아주 많이 존재하는 것을 '배워서' 혹은 기사, 영화 등을 통해 잘 알고 있습니다.
그러나 저 논문들의 아름다움과 완벽함에도 불구하고
그것들이 발표된 시기의 많은 물리학자 및 천문학자들은 중력적 붕괴의 결과로 블랙홀이 실제로 우주에 존재한다는 것에 많이 회의적이었습니다.
일단 상대성 이론의 제창자인 아인슈타인 조차 블랙홀을 거부하는 논문을 발표하였으며
(아인슈타인의 흑역사)
유명한 천문학자이자 상대성 이론의 최고 전문가 중 한 명인 아서 에딩턴은 그냥 '별이 저런 식으로 중력 붕괴하는 것을 막는 어떠한 힘이 있을 것이다' 라는 별 근거 없는 논리로 찬드라세카르를 공박하기도 했습니다.

(Sir Arthur "Stanley" Eddington, 1882.12.28 ~ 1944.11.22)
사실 당대에는 아인슈타인이나 에딩턴의 주장이 더 설득력 있게 받아들여진 게
블랙홀이라는 게 그 당시 관측 기술의 미비로 관측이 불가능했고
(지금도 블랙홀의 관측은 회전하고 동반성의 물질 혹은 가스를 방출하는 블랙홀만 X선 관측이라는 '간접적'인 방법을 사용합니다. 가시광선 관측은 불가능합니다)
또한 거대한 항성들이 생을 마치기 전에 자신의 질량을 아주 많이 우주 공간에 뿜어내는 것들이 자주 관측되었기 때문에, 
아무리 별들의 원래 질량이 크더라도 저 현상 때문에 블랙홀이 되기엔 질량이 많이 모자라다고 추측하기도 하고요.
별이 압축되면 그 압축된 전자나 중성자 양성자 등이 자체적으로 견디는 힘이 엄청나 자연계 4대 힘 중 가장 약하다는 중력이 감히 저런 힘들을 이기고 부피 0으로 붕괴할 것이라는 게 믿겨지지 않았고요.
또한 존 휠러 같은 유명한 물리학자(처음엔 블랙홀을 부정하지만 나중엔 강력한 블랙홀의 지지자가 됨)도 전자나 양성자 등의 입자가 압축되면 그 입자들이 자체적으로 마치 핵융합처럼 열을 복사하여 중력을 이겨낼 것이라고 주장했고요.
이렇게 투닥투닥 거리던 중에
관측 기술은 나날이 발전하여 가시 광선 뿐만 아니라, 전파 망원경을 사용하여 별에서 나오는 전파도 측정이 가능해 지게 되었습니다.
그렇게 전파 망원경으로 관측하던 어느 날 아주 기이한 천체가 발견되었습니다.
3C 273 이라고 불리는 천체인데,
전파를 수신하고 가시광선으로 그 전파 수신 지점을 찾아서 관측해서 발견해 낸 그냥 조그마한 별 같은 천체임에도 불구하고
스펙트럼을 체크해 보면 그 스펙트럼에서 수소선이 안 나와요. 당연히 수소선 스펙트럼이 있어야 하는데
이게 안 나와요. 안 나옵니다.
그림처럼 요렇게 생긴 방출선이 나와야 하는데 안 나와요.

분명 보기엔 평범한 작은 별인데 안 나와요.
수소만큼 흔한 원소가 없고, 별은 대부분 수소로 되어 있으니 나와야 하는데 안 나와요.
왜 안 나올까요?
그래서 좀 더 자세히 살펴보니
수소 방출선이 있긴 있는데 아주 적색 쪽으로 이동해 있었습니다.
즉 이 말은 적색편이(적색이동)가 아주 심하다는 것인데(측정 규격을 벗어날 만큼)
적색편이 값을 구하고 거리 계산을 해보니 20억 광년이나 먼 곳에서 온 빛이었습니다.
무려 20억 광년이나 먼 곳에서 온 빛이 망원경으로 쉽게 관측될 만큼 엄청나게 강한 에너지를 빛의 모든 파장에서 미친 듯이 뿜고 있는 
(안타깝게 눈으로 보이지는 않지만, 아마추어 천체 망원경으로도 충분히 관측 가능합니다)
실제로는 '믿을 수 없을 정도로' 밝은 천체였습니다.
게다가 예전에 찍은 사진과 비교해보면 정말 그 밝기가 수시로 변합니다.
이는 저 천체의 에너지원의 크기가 아주 작다는 것을 의미합니다.
크기는 아주 작은데, 미친 듯이 밝은 천체? 이게 도대체 무슨 말인가요.
이 기이한 천체가 무엇인가에 대해 학자들은 텍사스에 모여 정말 엄청난 토론을 시작했습니다.
일단 이름은 퀘이사로 붙였습니다.
여기서 당시에 슈퍼 대 깡촌 뉴질랜드 출신의 천체 물리학자 로이 커는 '회전'하는 중력 붕괴 천체의 완전한 해를 구했는데, 
그 해를 적용해 본다면 퀘이사가 이 회전을 이용하여 엄청난 열과 빛을 뿜어내는 것이고, 
이는 퀘이사가 중력 붕괴하는 천체, 즉 블랙홀이 아니면 불가능하다라는 이론을 발표하게 됩니다.
중력 붕괴 천체가 확실히 존재하는 것 까지 증명하는 이 엄청난 이론은 지금까지 블랙홀의 제트 발산의 기본 원리로 아주 잘 애용되고 있습니다.
이렇게 퀘이사로 인해 우주에 블랙홀이 있다는 것이 거의 증명되려는데
여기서 또 한 가지 더 결정적인 천체가 발견 되게 됩니다.
퀘이사는 20억 광년이나 떨어져 있어 덜 결정적이라고 어떻게 트집 잡아 볼 수 있겠지만
우리 은하에 있는 백조자리 X-1 이라는 강력한 X선 발생 천체를 관측하게 됩니다.
역시 퀘이사 처럼 밝기가 수시로 변하며 동반성의 가스를 털어먹어 회전하면서 막대한 에너지를 X선 영역으로 방출하는 천체입니다.
(그 유명한 스티븐 호킹과 킵 손의 내기의 그 천체입니다)
이게 실제로 블랙홀이나 아니냐에 대한 논란은 많았지만, 과거와 달리 이제는 블랙홀이라는데 동의하는 학자들이 더 많았고, 
좀 더 정밀한 X선 관측선들이 발사되고 관측할 때마다 블랙홀이라는 증거는 쌓이고 또 쌓이게 됩니다.
이제는 거의 아무도 백조자리 X-1이 블랙홀이라는 것을 의심하지 않습니다.
블랙홀이 아니라고 내기를 건 스티븐 호킹이 패배를 완벽하게 인정하기도 하고요.
이렇게 블랙홀이 실재한다는 것을 모든 사람들이 받아들이게 되고, 
블랙홀이 우리 우주의 한 일원으로 당당히 인정 받게 되면서
천체물리학은 과거와 비교하여 실로 엄청나게 발전하게 됩니다.
거의 모든 은하의 핵은 블랙홀로 되어 있다는 것도 밝히고, 실제 적외선 관측을 이용해 우리 은하의 블랙홀을 그 엄청난 노이즈를 이기고 촬영해 내기도 하고요.
영화 '인터스텔라'를 통해 블랙홀을 시각적으로 잘 경험해보기도 하고요.

심지어 무려 13억 광년 떨어진 곳에서 블랙홀 두 개가 병합하는 과정을 통해 나오는 중력파를 검출해 내는 쾌거를 이루기도 하고요.
이 모든 것이 비록 본인은 블랙홀을 부정했지만 상대성 이론을 제창한 아인슈타인과 계속된 연구를 통해 당대의 비난을 이겨낸 여러 학자들의 공이 아닐 수 없습니다.
그들로 인해 우리는 좀 더 넓은 시각으로 우주를 바라볼 수 있게 되었습니다. 
참 고맙죠. ㅎㅎ
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참고서적 및 용어 발췌:
블랙홀의 사생활(마샤 바투시액 저)