안드레아 게즈: 초거대 블랙홀을 찾아서

눈에 보이지 않는 것을 어떻게 관측할까요? 이것이 블랙홀을 연구하고 발견하고자 하는 사람이 갖고 있는 기본적인 질문입니다. 왜냐하면 블랙홀이란 그 중력의 힘이 너무나 강한 나머지 심지어는 빛조차 탈출할 수 없어서 직접적으로 관찰할 수 없기 때문입니다.

그래서 오늘 제가 말씀드리고자 하는 주제는 아주 특별한 블랙홀에 관한 것입니다. 저의 관심사는 과연 우리가 살고 있는 은하 한가운데에 초거대 블랙홀이라고 불리는 거대한 블랙홀이 정말로 존재하는가 입니다. 이 주제가 흥미로운 이유는 이 별난 물체가 실제로 존재하는지 증명할 수 있는 기회를 주기 때문입니다. 또 다른 이유는 이런 초거대 블랙홀들이 어떻게 주변 환경과 상호작용하는지 이해하는 동시에, 이들 블랙홀이 속한 은하의 형성과 진화에 어떤 영향을 주는지 파악할 수 있기 때문입니다.

시작하기에 앞서 먼저 블랙홀이 무엇인지 알아야 블랙홀의 증거를 이해 할 수 있습니다. 그럼 대체 블랙홀이란 무엇일까요? 여러가지 의미에서 블랙홀이란 엄청나게 단순한 물체입니다. 왜냐하면 블랙홀은 딱 세가지 특징만을 지니기 때문입니다. 질량, 회전, 그리고 전하(電荷)입니다. 저는 그 중 질량에 관해서만 이야기하려 합니다. 그런 의미에서 블랙홀은 꽤나 단순한 물체이지만 다른 의미로 상대적으로 특이한 물리 이론이 필요하기 때문에 꽤나 복잡한 물체라고도 할 수 있습니다. 어떤 의미로는 우주 물리학을 뒤엎어버리는 것이기도 합니다.

하지만 오늘 블랙홀을 이해하고 실제로 존재함을 설명하기 위한 방법으로 크기가 0인 공간에 질량을 쑤셔넣은 어떤 물체를 생각해 보고자 합니다. 즉, 엄청난 질량을 가졌지만 유한한 크기를 갖지 못한 물체가 대체 어떠한 물체인지를 설명드리겠습니다. 조금 어려울지도 모르겠네요.

하지만 다행히도 볼 수있는 유한한 크기가 있으며, 그것은 슈바르츠실트 반경이란 이름으로 알려져 있습니다. 그 이름은 반경이 왜 그렇게 중요한가를 알아낸 사람의 이름을 따서 지어졌습니다. 블랙홀은 크기가 없기 때문에 슈바르츠실트 반경은 가상의 반경입니다. 대체 왜 그게 중요한걸까요? 왜냐하면 그것은 어떠한 물체라도 블랙홀이 될 수 있다라는걸 나타내기 때문입니다. 결국 여러분이나 여러분의 옆 사람이나 여러분의 휴대폰이나 이 강연장이나 슈바르츠실트 반경 이하로 압축되면 블랙홀이 되어버리는 것입니다.

그렇게 되면 어떤일이 일어날까요. 그곳에선 중력이 모든것을 지배합니다. 중력이 다른 모든 힘을 압도하게 되죠. 그리고 그 물체는 무한히 작은 물체로 붕괴를 계속하게 됩니다. 그것이 블랙홀입니다. 지구를 각설탕 크기로 압축한다면 블랙홀이 됩니다. 이 경우, 각설탕의 크기가 지구의 슈바르츠실트 반경이 되기 때문입니다.

이제 요점은 슈바르츠실트 반경이 얼마인가 알아내는 것인데, 그게 얼마인지 알아내는 것은 실제론 간단하다는게 밝혀졌습니다. 그것은 바로 물체의 질량에 달려 있습니다. 질량이 큰 물체는 슈바르츠실트 반경도 크고 작은 물체는 작습니다. 만약 태양을 옥스포드 대학 크기로 압축한다면 블랙홀이 되는 겁니다.

이제 슈바르츠실트 반경이 무엇인지 아시겠죠? 이해하는데 상당히 도움이 되는 개념으로 블랙홀이 언제 형성되는지 뿐만 아니라 블랙홀의 증거가 되는 중요한 요소들도 알려주기 때문입니다. 딱 두가지만 알면 됩니다. 블랙홀이라는걸 증명하고 싶은 어떤 물체의 질량과 슈바르츠실트 반경입니다. 그리고 슈바르츠실트 반경은 질량에 의해 결정되므로 실제로는 질량만 알면 되는것이죠.

결국 여러분에게 블랙홀이 실제로 존재한다는걸 이해시키기 위해서 슈바르츠실트 안에 갇혀 있는 어떤 물체가 존재한다는것을 보여드리는 것이 제 할일입니다. 여러분은 그냥 미심쩍은 눈으로 보시면 됩니다. 저는 일반적인 블랙홀이 아니라 초거대 블랙홀에 대한 이야기를 하려고 합니다.

일단 일반적인 블랙홀에 대해 조금 말씀드리겠습니다. '일반적' 인 블랙홀이란게 있다고 해 보죠. 일반적인 블랙홀은 삶을 마친 초신성의 마지막 모습이라고 알려져있습니다. 즉, 태양보다 엄청나게 큰 거대한 질량을 가지고 생겨난 항성은 그 생애를 마치는 순간 폭발을 일으켜, 보시는 바와 같이 아름다은 초신성폭발의 잔해를 남깁니다. 그리고 그 초신성폭발의 잔해 가운데 작은 블랙홀이 생겨납니다. 대략 태양 질량의 3배정도 입니다. 천문학적규모로 이야기한다면 그 블랙홀은 상당히 작은 편입니다.

네, 이제부터는 초거대 블랙홀에 대해 이야기하겠습니다. 초거대 블랙홀은 은하중심부에 있다고 알려져 있습니다. 허블우주망원경이 촬영한 이 아름다운 사진은 은하들이 여러가지 형태를 가지고 있음을 보여줍니다. 큰 것도 있고 작은 것도 있습니다. 이 사진에 보이는 거의 대부분이 은하입니다. 사진의 좌측 상단에 멋진 나선은하가 있습니다. 그 은하에는 1천억개의 항성이 있습니다. 어느 정도 크기인지 감이 오시나요? 그리고 지금 보시는 은하와 같이 은하로부터 온 모든 빛은 항성들이 내뿜는 빛들입니다. 결국 항성이 있기 때문에 은하가 보이는 것이죠.

중심에는 상당히 특이한 은하가 있습니다. 눈에 띄는 은하이기 때문에 저는 이것를 은하 세계의 프리마돈나라고 부르고 싶습니다. 우리는 활동성 은하핵 이라고 부르죠. 왜나하면 그 은하의 중심핵 또는 중앙부는 상당히 왕성하게 활동하기 때문입니다. 그래서 그 중심부에서 대부분의 별빛이 흘러 나오는 것입니다. 게다가 예상치보다 훨씬 에너지가 높아서 항성의 빛으로는 설명할 수 없는 빛도 보입니다. 지금 우리가 보고 있는 그러한 은하들입니다. 중앙부에서 제트를 내뿜고 있는것도 보입니다. 은하가 항성만으로 이루어져 있다고 생각하면 이 에너지원을 설명할 수 없습니다.

그래서 거기에 초거대 블랙홀이 있기 때문에 물질이 거기로 빨려들어가고 있다고 추측하고 있는 것입니다. 결국 블랙홀을 직접 볼 수는 없지만 그곳의 중력에너지가 빛으로 변환되어 우리에게 보이고 있는 것입니다. 그것이 초거대 블랙홀이 은하중심부에 있을거라고 생각하는 이유입니다. 하지만 이것은 간접적인 이론입니다.

그럼에도 불구하고 그러한 사실로부터 초거대 블랙홀이 프리마돈나 은하뿐만 아니라 오히려 모든 은하의 중심에 존재하는것이 아닌가 하고 추측하고 있습니다. 예를 들어, 이것은 일반적인 은하인데 우리가 보고 있는것은 항성의 빛입니다. 만약 여기에 초거대 블랙홀이 있다고 한다면 그 블랙홀이 '다이어트중이다' 라고 할 수 있겠죠. 왜냐하면 그것이 활동성 은하핵에서 보이는 에너지현상을 억제하고 있기 때문입니다.

만약 이러한 눈으로 보이지 않는 블랙홀을 은하중심에서 찾는다고 한다면 가장 적합한 것은 우리 은하입니다. 이것은 우리 은하 중심부를 광각으로 촬영한 사진입니다. 별의 띠가 보이고 있습니다. 우리들이 평평하고 원반 모양을 한 형태의 은하에 살고 있기 때문입니다. 우리는 그 중간지대에 살고 있고 거기서 중심방향을 보면 은하면을 형성하는 면 또는 그 띠를 볼 수 있습니다.

우리 은하를 연구해서 좋은 점은 단순히 그것이 우리에게 가장 가까운 은하중심부이기 때문입니다. 그 다음으로 가까운 은하라도 100배 멀리 떨어져 있죠. 그렇기 때문에 다른 은하 보다 우리 은하를 더 자세히 볼 수 있습니다. 지금부터 보여드릴겁니다만, 어느 정도 자세히 보이는가가 연구의 열쇠가 됩니다.

그럼 천문학자는 어떻게 작은 공간에 거대한 질량이 존재한다고 이야기하는 것일까요? 그게 제가 오늘 보여드려야 할 것입니다. 우리가 쓰는 방법은 항성들이 블랙홀의 주위를 돌고 있는것을 관찰하는 것입니다. 항성은 행성이 태양의 주위를 도는것과 마찬가지로 블랙홀의 주위를 돌고 있습니다. 중력에 의한 인력으로 물체의 공전궤도가 정해지는 것입니다. 만약 거기에 거대한 질량이 존재하지 않는다면 항성은 날아가버리거나 좀 더 천천히 공전을 하겠죠. 왜냐하면 어떻게 공전하는가를 결정하는건 궤도안에 있는 질량이기 때문입니다.

이거 딱 좋군요. 왜냐하면 제 일은 작은 공간에 거대한 질량이 있다는걸 설명하는 것이기 때문이죠. 결국 별이 공전하는 속도를 안다면 질량을 알 수 있으며 궤도의 크기를 안다면 궤도의 반경도 알 수 있습니다. 그렇기 때문에 저는 은하 중심에 가능한 가까운 항성을 보고 싶은것입니다. 여러분에게 가능한 작은 영역에 질량이 있다는걸 보여드리고 싶기 때문이죠. 그래서 할 수 있는 한 자세한 모습을 보고 싶어 하는 것입니다. 그러한 이유로 이 연구를 위해 세계최대의 망원경을 사용하고 있습니다.

여기는 케크 천문대입니다. 10미터짜리 반사경을 가진 망원경이 2개 있고 지름이 대략 테니스코트 정도의 크기입니다. 상당히 좋은 망원경이죠. 왜냐하면 커다란 망원경은 더 크면 클수록 작은 부분을 자세하게 볼 수 있도록 해 주기 때문입니다, 그러나 지상에 있는 모든 망원경은 그 성능을 발휘하는데 문제가 조금 있습니다. 그것은 대기 때문입니다. 대기 덕분에 우리들은 지구에 살수 있죠. 좋은 것입니다. 그러나 대기를 통해 천체의 빛을 보는 천문학자는 상대적으로 어려움이 있습니다.

작은 개울의 물 위에서 물 속 밑바닥에 있는 자갈을 보는 것과 비슷한 이치입니다. 물속에 있는 자갈을 보면 물의 흐름이 계속해서 산란을 일으켜 바닥에 있는 자갈을 자세히 보기가 매우 어렵습니다. 마찬가지로 대기는 계속해서 움직이기 때문에 대기를 통해서 천체의 빛을 관측하는것은 상당히 어려운 일입니다.

저는 제가 일하는 대부분의 시간동안 대기의 어른거림을 보정하고 또렷한 영상을 얻는데 시간을 보냈습니다. 그리하여 대략 20배정도 향상된 결과를 얻었습니다. 만약 생활을 20배 개선하는 방법을 알 수 있다면 라이프스타일도 전혀 다른것이 되겠지요. 급여에서도 그럴 것이고 아이들에 대해서도 그렇겠지요.

보고 계신 동영상은 우리들이 사용하고 있는 적응광학계 (adaptive optics) 라고 불리는 기술의 일례입니다. 지금 보시는 영상에서는 이 기술을 사용하지 않았을때 보이는 영상, 즉 보통 보이는 별의 영상이 보이고 박스 부분은 은하의 중심에 고정되어 있습니다. 거기에 블랙홀이 있을 것입니다. 이 기술이 없이는 별이 보이지 않습니다. 보정기술을 사용하면 갑자기 별이 보이기 시작합니다. 이 기술로 망원경의 광학시스템에 대기의 어른거림에 대항하여 지속적으로 변형하는 망원경을 도입하고 있습니다. 그래서 망원경이 이렇게 멋진 안경을 쓰고 있는거죠.

여기서부터 몇 장의 슬라이드는 그 작은 사각형 안쪽 부분에 주목할것입니다. 다른 부분도 보이지만, 작은 사각형 안에 있는 별에만 주목해 보겠습니다. 저는 항성이 어떻게 움직이는가를 알고 싶었습니다. 그런데 이 연구를 통해 항성이 상당히 빠르게 움직이고 있다는게 밝혀졌습니다. 우리는 이 연구를 15년간 해 왔으며, 항성들이 공전운동을 하고 있는 것을 알았습니다.

대체로 천문학자들은 좋아하는 항성을 하나쯤 가지고 있는데, 저는 오늘 제가 좋아하는 항성을 소개 하겠습니다. SO-2, 제가 가장 좋아하는 항성입니다. 왜냐하면 단 15년만에 일주하고 있기 때문이죠. 그게 얼마나 짧은 것인가라고 말씀드리면, 예를들어 태양이 은하중심을 일주하는데 2억년이 걸립니다. 지금까지 알려진 별들 중 은하중심에 가장 가까웠던 별은 무려 500년에 걸쳐 일주합니다. 이 별은 인간의 수명 내에 일주를 하는 것이죠. 어떤 면에서는 심오한 것입니다.

하지만 이것이 연구의 핵심입니다. 항성의 궤도를 통해 . 이와 같이 작은 반경 안에 어느 정도의 질량이 있는지를 알 수 있습니다 지금 보여드리는 사진에서는 연구를 하기 전에 은하중심부의 질량이 들어 있다고 여겨지던 크기를 보여주고 있습니다. 예전부터 이 원의 중심에 태양의 400배 되는 질량이 있는 것으로 알려져 왔습니다. 보시다시피 원의 중심에는 여러가지 물질이 존재합니다. 항성이 매우 많이 있지요. 즉, 여러가지 물질이 대량으로 존재하였기 때문에 은하 중심에는 초거대 블랙홀이 있다라고 하는 설 이외에도 많은 또 다른 선택지들이 있었습니다.

그러나 우리들의 연구에 의하면 그와 같은 질량이 1천만분의 1이라고 하는 엄청나게 작은 공간에 있는것이 알려졌습니다. 그래서 이 초거대 블랙홀이 존재한다고 설명할 수 있었던 것입니다. 얼마나 작은가라고 한다면 대충 태양계 전체 크기정도입니다. 즉 태양의 400만배의 질량이 태양계와 같은 정도로 압축되어 있다는 이야기입니다.

결국 제가 말한대로죠? 그렇죠? 제 일은 그것을 슈바르츠실트 반경까지 압축하는것이라고 말했습니다만 실제는 그 정도까지는 하지 못했습니다. 그러나 이렇게 질량이 집중된 현상을 설명하는 방법은 이 이외에는 없습니다, 그리고 이것은 우리 은하중심에 초거대블랙홀이 있다고 하는 증거뿐만 아니라 다른 모든 은하에도 존재한다는 증거가 될 수 있습니다. 그럼 그 다음은 뭘까요? 사실 이것이 현재 기술로 할 수 있는 한계라고 생각합니다. 여기서 문제를 파고들어가보죠.

저는 오늘날 우리가 알 수 있는 은하중심부에 관한 재미있는 몇 가지 예와 함께, 은하중심부에 초거대 블랙홀이 있거나 또는 그렇게 믿고 있다는 것을 간단히 이야기 하였습니다. 이 연구에서 재미있는 점은 은하중심부에 초거대 블랙홀이 있다는 생각을 검토해본 결과, 거의 모든 가설이 실제로 우리가 보는 것과 달랐다는 것입니다. 재미있죠.

두 가지 예를 들어보겠습니다. 은하 중심부에 오랫동안 존재했던 나이든 별들은 블랙홀과 장기간 상호작용하여 어떤 모습이 되어 있을까요? 예상해 보건대 나이든 항성이 블랙홀의 주위에 모여들어 있는 상태겠죠. 블랙홀 근처에 나이든 항성이 많이 있다는 것은 틀림 없을 겁니다.

마찬가지로 또는 대조적으로 젊은 항성은 거기 있을 수가 없을 겁니다. 블랙홀은 별의 요람으로서는 그다지 좋은 장소가 아닙니다. 항성이 생겨나기 위해선 상당히 큰 가스와 먼지 덩어리가 필요합니다. 그것은 상당히 붕괴되기 쉽죠. 블랙홀은 무엇을 한다고 생각하시나요? 가스를 빼앗아갑니다. 한쪽을 더욱 강한 인력으로 끌어당겨 가스 구름이 흩어지고 맙니다. 사실, 별의 탄생은 이러한 장소에서 일어나지 않을거라고 예측하고 있었습니다.

그래서 젊은 항성은 거기 있을 수 없다는거죠. 실제로는 어떨까요? 오늘 보여드린 적 없었던 관측 결과를 사용해 보면 나이든 항성이 어떤 것이고 젊은 항성이 어떤 것인지 알 수가 있습니다. 붉은 것이 나이든 항성이고 푸른 것이 젊은 항성입니다. 노란색은 아직 잘 모릅니다. 이걸 보시고 깜짝 놀라셨겠죠. 나이든 항성은 일부에 불과하고 젊은 항성이 아주 많이 있습니다. 예상과는 완전 반대인거죠.

재미있죠? 이 미스테리한 결과, 이 모순을 어떻게 해결할 것인가를 설명하려고 하고 있습니다. 실제 우리 학교의 대학원생이 오늘 이 순간도 하와이의 케크 망원경으로 관측을 계속하고 있고 다음 단계가 되면 왜 젊은 항성이 많고 나이든 항성이 적은가를 설명할 수 있기를 바라고 있습니다. 더욱 나아가기 위해서는 더 먼 항성의 궤도를 조사할 필요가 있습니다. 그러기 위해서는 아마도 현재보다 더욱더 발전된 기술이 필요할 겁니다.

왜냐하면 저는 대기의 어른거림을 보정하고 있습니다만, 사실 에러의 절반 정도밖에 보정되어 있지 않습니다. 이 작업을 위해 대기속으로 레이저를 쏘아올리고 있으며, 레이저를 조금만 더 늘리면 남은 보정 작업도 가능할 것입니다. 앞으로 수년안에 가능하다면 좋겠다고 희망합니다. 그리고 더 오랜 시간에 걸쳐 더욱 커다란 망원경을 건설하고 싶습니다. 왜냐하면 천문학에서는 커다란 것이 더 좋은 것이기 때문입니다.

그래서 직경 30미터짜리 망원경을 건설하고 싶습니다. 그 망원경을 사용한다면 더욱 은하 중심부에 가까운 항성을 관측하는것이 가능할 것입니다. 그리고 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하고 은하의 형성에 관한 우주론을 검토하고 싶은 것입니다. 이 연구의 미래는 매우 흥미롭습니다.

정리해 보겠습니다. 지금 보여드리는 영상은 이러한 궤도들이 3차원공간에서 어떻게 움직이는가를 보여주고 있습니다. 그리고 무엇보다도 먼저 설명드리고 싶은것은 첫째, 은하중심부에 초거대 블랙홀이 존재한다는것이며 그것이 우주 전체에 존재하고 우리들의 물리학세계를 통해 어떻게 블랙홀을 이해할 수 있는가를 설명하지 않으면 안됩니다.

둘째, 초거대 블랙홀이 어떤 상호작용을 하는가를 관측하고 또한 은하의 형성에 이르는 블랙홀의 역할과 그 방법을 이해하는 것입니다.

그리고 마지막으로 이러한것들 중 어느것 하나라도 기술의 최전선에 다가간 커다란 발전 없이는 일어날 수 없는 일이라는 것이며 또한 그 분야는 상당히 빠르게 발전 하고 있어서 커다란 장래성을 가지고 있다고 생각합니다. 감사합니다. (박수)