낸시 그레이스 로먼 망원경, 빅뱅에서 남은 작은 블랙홀 탐색한다 [이광식의 천문학+]

[서울신문 나우뉴스]

원시 블랙홀로 둘러싸인 낸시 그레이스 로마 우주망원경 그래픽. 출처: Robert Lea(created with Canva)/NASA

“만약 우리가 그것들을 발견한다면 이론물리학 분야를 뒤흔드는 대사건이 될 것이다.”

​블랙홀 주간이 본격화되고 있으며, 이를 축하하기 위해 미 항공우주국(NASA)은 차세대 주요 천문 장비인 낸시 그레이스 로먼 우주망원경이 빅뱅으로 거슬러 올라가는 작은 블랙홀을 어떻게 찾아낼 것인지에 대해 설명했다.

​낸시 그레이스 로먼 우주망원경은 2026년 발사 예정인 우주망원경으로, 관측 파장은 가시광선과 적외선이다. 약 2.4m의 주경을 장착하고 있으며, 288 메가 픽셀의 사진을 찍을 수 있는데, 이는 허블 망원경 뛰어넘는 수준이다. 초점도 허블 망원경보다 더 잘 맞추어진다. 하지만 구경 크기는 2.4m으로 똑같다.

​블랙홀에 대해 생각할 때 우리는 태양 질량의 수십에서 수백 배에 달하는 항성 질량 블랙홀과 같은 거대한 우주 괴물을 상상하는 경향이 있다. 우리는 태양 질량의 수백만 배(심지어 수십억 배)에 달하는 초대질량 블랙홀이 은하 중심부에 자리잡고 그 주변을 지배하는 모습을 상상해볼 수도 있다.

​그러나 과학자들은 우주에는 지구 정도의 질량을 가진 깃털처럼 가벼운 블랙홀이 존재할 수도 있다는 이론을 내세운다. 이 블랙홀은 잠재적으로 큰 소행성만큼 작은 질량을 가질 수 있다. 과학자들은 또한 그러한 블랙홀이 약 138억 년 전 태초부터 존재했을 것이라고 제안한다.

​‘원시 블랙홀’이라고 명명된 이 블랙홀은 지금까진 순전히 이론상의 존재이긴 하지만, 2026년 말 발사 예정인 로먼 망원경이 이를 극적으로 바꿀 수 있을 것으로 기대되고 있다.

​“지구 질량의 원시 블랙홀 집단을 탐지하는 것은 천문학과 입자물리학 모두에 놀라운 진전이 될 것이다. 왜냐하면 이러한 물체는 알려진 물리적 과정에 의해 형성될 수 없기 때문”이라고 윌리엄 드로코 캘리포니아 대 산타크루즈 박사후 연구원은 설명한다. 팀을 이끌었던 그는 로먼이 이 고대의 작은 블랙홀 사냥에 나선 것에 대해 성명에서 “만약 우리가 그것을 발견한다면 이론물리학 분야를 뒤흔들 것”이라고 강조했다.

사건 지평선에는 질량이 중요하다

지금까지 존재하는 것으로 확인된 가장 작은 블랙홀은 항성질량 블랙홀로, 거대한 별의 핵융합에 필요한 연료가 고갈될 때 생성된다. 이러한 융합이 중단되면 별들은 자체 중력으로 붕괴된다. 일반적으로 별이 항성질량 블랙홀을 남기는 데 필요한 최소 질량은 태양 질량의 8배다. 더 가벼우면 별은 중성자별이나 그을린 백색왜성으로 일생을 마감하게 된다.

​그러나 우주 탄생 당시의 조건은 현재의 조건과 매우 달랐다. 우주가 뜨겁고 밀도가 높으며 격동적인 상태에 있었을 때 훨씬 더 작은 물질 덩어리가 붕괴되어 블랙홀이 탄생했을 수도 있다.

​모든 블랙홀은 ‘사건 지평선’이라고 불리는 외부 경계에서 ‘시작’된다. 이 지점을 넘어서면 빛조차도 중력의 영향을 벗어날 수 없다. 곧, 빛도 탈출할 수 없다는 뜻이다. 사건 지평선이 블랙홀의 중심 특이점, 즉 모든 물리법칙이 무너지는 무한 밀도 지점으로부터의 거리는 블랙홀의 질량에 의해 결정된다.

​즉, 질량이 태양의 약 24억 배에 달하는 초대질량 블랙홀 M87*의 사건 지평선은 지름이 약 248억km인 반면, 태양 30개의 질량인 항성질량 블랙홀은 폭이 약 177km에 불과한 사건 지평선을 갖게 된다. 반면에 지구 질량의 원시 블랙홀은 사건의 지평선이 동전보다 크지 않을 것이다. 소행성 질량을 지닌 원시 블랙홀은 양성자보다 폭이 작은 사건 지평선을 갖게 된다.

원시 블랙홀의 행렬을 보여주는 그림. 출처: NASA’s Goddard Space Flight Center

원시 블랙홀의 개념을 지지하는 과학자들은 우주가 빅뱅이라고 부르는 초기 인플레이션을 겪으면서 원시 블랙홀이 탄생했을 것이라고 생각한다. 우주가 빛보다 빠른 속도로 질주하면서(우주에서는 빛보다 빠른 것은 아무것도 없지만 공간 자체는 그럴 수 있다), 과학자들은 주변보다 밀도가 높은 지역이 붕괴되어 소질량 블랙홀이 탄생했을 수 있다고 제안한다.

​그러나 많은 연구자들이 현재 우주에 존재하는 원시 블랙홀의 개념을 지지하지 않는데, 이는 스티븐 호킹 때문이다.

블랙홀도 죽는가?

스티븐 호킹의 가장 혁명적인 이론 중 하나는 블랙홀도 영원히 지속될 수 없음을 시사했다는 점이다. 이 위대한 물리학자는 블랙홀이 열 복사의 한 형태로 질량을 블랙홀 외부로 ‘누출’한다고 생각했는데, 이 개념은 나중에 그의 이름을 따서 ‘호킹 복사’라고 명명되었다.

​블랙홀은 호킹 복사를 누출하면서 질량을 잃고 결국 폭발한다. 블랙홀의 질량이 작을수록 호킹 복사가 더 빨리 일어난다. 이는 초대질량 블랙홀의 경우 이 과정이 우주의 수명보다 오래 걸릴 것임을 의미한다. 그러나 작은 블랙홀은 훨씬 더 빠르게 누출되므로 훨씬 더 빨리 죽어야 한다.

​따라서 원시 블랙홀이 어떻게 “펑” 하지 않고 138억 년 동안 떠돌 수 있었는지 설명하는 것은 어려운 일이다. 로먼이 만약 이러한 우주 화석을 발견한다면 물리학의 많은 부분이 뒤바뀌게 될 것이다.

호킹 복사가 누출될 경우 다양한 크기의 블랙홀이 얼마나 오래 지속될 것으로 예상되는지를 보여주는 인포그래픽. 출처: NASA’s Goddard Space Flight Center

​이번 연구에 참여하지 않은 볼티모어 우주망원경과학연구소의 천문학자 카일라시 사후는 성명에서 “은하 형성부터 우주의 암흑물질 함량, 우주 역사에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칠 것”이라고 전망하면서 “그들의 신원을 확인하는 것은 어려운 작업이 될 것이며, 천문학자들에게는 많은 설득력이 필요하지만 그만한 가치가 있을 것”이라고 덧붙였다.

​원시 블랙홀을 탐지하는 것도 결코 쉬운 일이 아니다. 다른 블랙홀과 마찬가지로 이 구역은 사건 지평선에 둘러싸여 있으며, 빛을 방출하거나 반사하지 않는다. 즉, 이를 탐지하는 유일한 방법은 알베르트 아인슈타인이 1915년에 발표한 일반 상대성 이론으로 알려진 중력이론에서 개발한 원리를 사용하는 길뿐이다.

아인슈타인에게 도움 받기

일반 상대성 이론은 질량을 가진 모든 물체는 ‘시공간’이라고 불리는 하나의 4차원 실체로 통합된 공간과 시간의 구조 자체에 곡률을 일으킨다고 예측한다. 배경 광원의 빛이 왜곡된 시공간을 통과하면 경로가 구부러진다. 빛이 통과하는 렌즈 물체에 가까울수록 경로가 더 많이 구부러진다. 이는 동일한 물체의 빛이 서로 다른 시간에 망원경에 도달할 수 있음을 의미한다. 이러한 현상을 중력렌즈라고 한다.

​중력렌즈의 영향을 받는 물체가 은하처럼 엄청나게 거대할 때 배경 소스는 겉보기 위치로 이동하는 것처럼 보이거나 심지어 동일한 이미지의 여러 위치에 나타날 수도 있다. 렌즈 효과를 받는 물체가 원시 블랙홀처럼 질량이 더 작다면 렌즈 효과는 더 작아지지만, 감지할 수 있는 배경 광원이 밝아지는 원인이 될 수 있다. 이것이 바로 마이크로 렌즈(Microlensing)라는 효과다.

중력렌즈 현상을 일으키는 원시 블랙홀이 로먼 우주망원경에 존재했음을 보여주는 다이어그램. 출처: Robert Lea (created with Canva)/NASA

​현재 마이크로 렌즈는 떠돌이 행성이나 모항성 없이 은하수를 떠다니는 천체를 탐지하는 데 큰 효과를 거두고 있다. 이것은 이론상보다 더 많은 지구 질량의 떠돌이 천체들의 개수를 파악하고 있다. 모델은 실제로 예측한다. 이 패턴을 통해 과학자들은 로먼이 지구 질량의 떠돌이 행성에 대한 탐지를 10배 증가시킬 것이라고 예측한다.

​이러한 물체가 풍부하게 존재한다는 사실은 지구 질량 천체 중 일부가 실제로 원시 블랙홀일 수도 있다는 추측으로 이어졌다. 드로코는 “사례별로 지구 질량 블랙홀과 악성 행성을 구분할 방법이 없다”라고 말하면서 “로먼은 통계적으로 두 가지를 구별하는 데 매우 강력할 것”이라고 예측한다.

​사후는 “이것은 로먼이 행성을 검색하면서 이미 얻게 될 데이터를 사용하여 추가 과학자들이 할 수 있는 일의 흥미로운 예”라고 설명하면서 “과학자들이 지구 질량 블랙홀이 존재한다는 증거를 찾든 못 찾든 그 결과는 흥미롭다. 두 경우 모두 우주에 대한 우리의 이해를 증진시킬 것”이라고 덧붙였다.

​팀의 연구는 지난 1월 ‘물리학 리뷰 D’에 게재되었다.

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com