천문학적으로 2019년은 블랙홀의 해라고 할 수 있다.

이 해에 블랙홀 연구는 여러 가지 획기적인 진전을 이루었다.4월 10일, 과학자들은 세계 유일의 블랙홀 사진을 발표했습니다.11월 28일, 중국과학원 국가천문대의 과학연구일군은 또 은하계에서 가장 큰 항성급 블랙홀을 발견했는데 이밖에 미국과학자들은 또 우주에서 가장 작은 질량의 블랙홀을 발견하였다.그리고 이 발견들 중 첫 번째 블랙홀 사진이 가장 감동적인 일이라는 것은 의심할 여지가 없다.

은하계에서 가장 무거운 항성급 블랙홀 LB-1의 예술상상도 (유경천화)

1915년, 아인슈타인은 일반상대성이론을 제기하였다. 몇달후 독일참호에 있는 물리학자 칼 스와시 (K.Schwarschild) 는 아인슈타인방정식의 정확한 해를 구했다. 이 해는 바로 지금 우리가 알고있는 블랙홀해이다. 회전하지 않은 흑동해이다. 이는 첫 현대적의미에서 블랙홀에 대한 묘사이기도 하다.

앞으로 거의 100년 동안 블랙홀에 대한 인류의 연구는 이론에 머물렀을 뿐, 우리는 블랙홀이 어떻게 생겼는지에 대해 거의 알지 못했다.

최근 10여년간 과학기술의 발전은 인류로 하여금 블랙홀의 진실한 모습을 추적하고 탐구할수 있는 기회를 가지게 했다.마침내 2019년 4월, 전 세계 20개국의 300여 명의 과학자들이 공동으로 첫 번째 블랙홀 사진을 발표했다.

블랙홀 탐구의 역사를 통해 우리는 전체 과학 발전의 긴 역사를 엿볼 수 있다.

블랙홀에 대해 말하자면, 아마도 우리는 약간의 공포감을 느낄 것이다. 왜냐하면 많은 영화에서 블랙홀을 무소불위의"먹는 것", 심지어 빛과 시간조차 멈출 수 있는"거인"으로 묘사하기 때문이다. 그러나 일부 물리학자들의 눈에는 매우 신기하다. 왜냐하면 그것은 미래에 시간의 문 역할을 하여 인류를 이끌고 빠르게 우주를 통과할 수 있기 때문이다.

전체적으로 블랙홀은 신비롭고 신기한 천체이다.블랙홀은 중력이 매우 강하기 때문에 그것을 인식하려면 중력의 발전 역사에서 탐구해야 한다.

만유인력 발전사

중력에 대해 말하자면, 자연히 우리는 17세기의 위대한 물리학자인 뉴턴을 생각할 것이다. 그는 나무 아래에 앉아 떨어진 사과를 보고 우주에 보편적인 힘이 존재해야 한다는 것을 깨달았다. 지금 우리는 그것을 만유인력이라고 부른다.

뉴턴은 매우 위대한 물리학자이다. 그는 이 점만 생각했을뿐만아니라 이 생각을"착지"시켰다. 그는 이 생각에 근거하여 아주 고전적인 공식을 썼다. 즉 만유인력표현식이다.이 공식을 통해 우리는 그가 중력이 물체의 질량 때문에 존재한다고 생각한다는 것을 알 수 있다.

그는 이 이론을 경전의 《 자연철학의 수학원리 》 라는 책에 총결하였다.이 이론은 발표 후 많은 사람들의 추앙을 받았다. 왜냐하면 그것은 천체가 공간에서의 운동을 잘 설명할 수 있을 뿐만 아니라 천체의 미래 운동 상태를 완벽하게 예측할 수 있기 때문이다.

앞으로 수백 년 동안 그의 이론은 끊임없이 검증되었고 더욱 광범위하게 응용되었으며 물리학뿐만 아니라 다른 매우 많은 학과에도 응용되었다.뉴턴 이론은 현대 과학의 기원이라고 할 수 있지만, 19세기에 이르러 더 많은 관측의 발견은 과학자들로 하여금 뉴턴 이론에 도전을 제기하게 했다.20세기 초에 아인슈타인은 협의적 상대성이론을 먼저 제기했고 10년 후에 광의적 상대성이론을 제기했다.이 신형의 리론에서 그는 인력에 대한 새로운 견해를 제기하였다. 그는 인력은 질량에 의해 직접 산생되는것이 아니라 질량이 있는 천체에 의해 우주시공간의 굴곡을 초래했으며 굴곡된 시공간은 일종의 인력효과를 나타냈다고 인정했다.

아인슈타인이 일반상대성이론을 제기한 지 몇 달 만에 독일 물리학자 칼 스와시 (K.Schwarschild) 는 이 복잡한 방정식의 정밀해를 얻었다. 그러나 유감스럽게도 이 정밀해는 블랙홀의 정밀해이지만 이 블랙홀은 돌아가지 않는 블랙홀이고 우주에서 거의 모든 천체는 지구를 포함하여 돌고 있다.그래서 아인슈타인은 이 정확한 해를 보았을 때 매우 놀랐지만 이 해가 실제로 존재한다는 것을 믿지 않았다.

앞으로 수십 년 동안 전란, 과학 기술의 제한으로 인해 블랙홀에 대한 연구는 정체되었다고 할 수 있다.1939년에만 오펜하이머와 그의 학생들은 대질량 항성의 붕괴가 특이점을 형성할 수 있다는 것을 발견했다. 이것이 바로 우리가 지금 알고 있는 블랙홀이다. 그 외에 블랙홀에 대한 연구는 큰 진전이 없다.

관측에서 블랙홀의 흔적이 발견된 적이 없기 때문에 1955년 아인슈타인이 사망할 때까지 블랙홀과 같은 신비한 천체가 존재한다고 믿지 않았다.

블랙홀 연구 황금 30년

찬드라 엑스선 천문대가 찍은 백조자리 X-1 사진 (출처 위키피디아)

60년대에 이르러 1963년 뉴질랜드의 수학자 콜은 광의상대성이론 방정식의 또 다른 정확한 해를 얻었는데, 이번에는 블랙홀 해가 돌았다.그리고 1년 뒤인 1964년, 미국 과학자들은 우주 탐사 로켓을 발사함으로써 처음으로 블랙홀의 종적을 발견했고, 인류 역사상 처음으로 항성 체급의 블랙홀이 발견되었다. 이것이 바로 우리가 현재 잘 알고 있는 백조자리 X1이다.

이론과 관측의 이중 돌파로 한꺼번에 많은 천문학자, 물리학자들이 이 분야에 투입되었기 때문에 앞으로 20~30년 동안 블랙홀의 연구는 황금기에 접어들었다.우리는 이제 거의 모든 블랙홀 지식이 이 20~30년 동안 얻어졌다는 것을 알고 있다.

그 동안 프린스턴 대학의 휠러 교수라는 매우 두드러진 학자가 있었다.우리가 지금 알고 있는 블랙홀이라는 단어는 비록 그가 발명한 것은 아니지만, 그의 광범위한 보급을 거쳐 최종적으로 대중에게 익숙해졌다.

휠러 외에 또 다른 중점적으로 소개해야 할 물리학자가 바로 호킹이다.호킹은 70년대에 블랙홀에 아무런 방사능이 없다고 생각했을 때 블랙홀이 방사능을 발생시켜야 한다고 제기했는데 이것이 바로 우리가 지금 알고있는 호킹복사이다.이 방사선은 매우 미약하지만 0과 1의 차이는 천양지차이다.

앞으로 수십 년 동안 인류는 이론적으로 이미 매우 많은 지식을 얻었지만, 블랙홀이 도대체 어떻게 생겼는지 우리는 여전히 모른다.그래서 블랙홀에 대한 가장 충격적인 묘사는 2014년 개봉한'인터스텔라'영화일 것이다.

이 영화에서 블랙홀에 대한 표현도 나를 놀라게 했다.나뿐만 아니라 영화 과학 컨설턴트의 노상 수상자인 킵 손은 고화질 회전 블랙홀을 처음 봤을 때도 마찬가지로 기뻐했다.고화질 블랙홀을 보여주기 위해 영국의 이중 부정 회사는 30명의 팀을 이용하여 거의 1년의 시간을 들여 8000TB의 데이터를 얻어 결국 팬들에게 이렇게 고화질 블랙홀 렌더링 효과를 보여주었고, 그들은 관련 글을 발표하여 그들의 컴퓨팅 기술을 보여주었다.

과학적 관점에서 블랙홀 탐지는 멈추지 않았다.10년전, 과학기술이 일정한 단계에 이르렀을 때 우리는 전 세계 망원경을 네트워크로 연결할수 있었다. 전 세계 많은 나라에서 온 과학자들은 일부 블랙홀에 대해 진정한 영상화를 시도하였다. 그들은 이 프로젝트를 시계면망원경프로젝트라고 불렀다.

그들이 보고 싶은 두 개의 블랙홀, 하나는 은하계 중심에서 온 블랙홀, 다른 하나는 약 5500만 광년 떨어진 M87 블랙홀, 위의 그림 오른쪽에 전시된 것은 M87 광학 주파수 대역의 블랙홀이다.

얼마나 큰 망원경이 있어야 중심 블랙홀의 모습을 제대로 볼 수 있습니까?위의 그림은 매우 좋은 설명입니다.파란색은 허블 망원경이 찍은 이미지를 나타내며, 가장 중간의 링은 우리가 촬영하고자 하는 블랙홀의 척도이다.이 둘 사이의 차이는 적어도 수천 배이다.그러므로 만약 우리가 현재 가장 선진적인 망원경을 리용하려면 망원경의 구경이 몇킬로메터 좌우에 달해야 중심블랙홀의 모습을 똑똑히 분간할수 있다.

과학자들은 이렇게 거대한 광학 망원경을 만들 방법이 없다. 그들은 VLBI 네트워크라고 불리는 기술을 발전시켜 전 세계의 거의 모든 아밀리미터파 망원경을 하나의 방대한 네트워크로 연결했다.이 망원경은 구경이 1만여 킬로미터에 달하면 중심 블랙홀을 영상화할 수 있는데, 이 망원경은 보통 고도가 매우 높은 곳에 위치하는데, 이는 대기의 전자파 흡수를 줄이기 위한 것이다.

관측 장비의 끊임없는 개선 외에도 블랙홀 주변이 매우 복잡하기 때문에 이론적으로도 많은 시뮬레이션이 필요합니다.간단한 종이와 펜을 리용하여 과학자들은 이미 기체가 블랙홀주위에서 운동하는 상태를 묘사하기 어려운데 이때 상대론형의 자류체력학이 수요되는데 매번 계산할 때마다 수천개의 CPU가 수요되고 몇달동안 연산해야 한다.

시야면 망원경 팀은 여러 가지 다른 상황에 대해 최종 계산을 했는데, 위의 그림은 그 중 계산된 일부 결과를 보여준다.마침내 모든 것이 준비되었다. 2017년 4월 10일부터 15일까지 그들은 전 세계 8개 다른 곳의 망원경을 이용하여 이 두 블랙홀을 관측한 결과 약 5PB의 데이터를 얻었다.

데이터의 양이 매우 많고 남극에 망원경이 있기 때문이다.기존의 네트워크를 이용하면 데이터를 전송하기 어렵다. 아마도 앞으로 5G 기술이 성숙되면 우리가 직접 전송할 수 있을 것이다. 과학자들이 채택한 방법은 데이터를 디스크에 복사하여 비행기로 데이터 센터로 운반하는 것이다.

데이터 센터에는 미국에 있는 MIT와 독일에 있는 두 개가 있습니다.데이터를 얻은 후, 과학자들은 관련 분석을 진행하고, 다른 방식으로 이미지를 확인한다.확인한 후 재구성하여 우리가 본 블랙홀 사진을 얻을 수 있다.블랙홀 사진을 얻는 동시에 과학자들은 이미 수치의 시뮬레이션을 하여 수치의 시뮬레이션 라이브러리와 비교함으로써 블랙홀의 성질을 추정할 수 있다.2019년 4월 10일 오후 9시 전 세계에 공개된 첫 블랙홀 사진이다.

블랙홀 사진이 있으면 이전에 이미 얻은 수치 결과와 비교하면 과학자들은 블랙홀에 관한 성질이 있다고 추정할 수 있다.아마도 여러분은"인터스텔라"영화의 블랙홀에 대해 매우 깊은 인상을 받게 될 것입니다. 물론 우리는 M87 주변으로 날아가 직접 비교할 수는 없지만, 우리는 현대 성능이 매우 발달한 컴퓨터를 이용하여 전체 과정을 시뮬레이션할 수 있습니다.너는 아마도"왜 우리가 이번에 본 첫 번째 블랙홀 사진과 인터스텔라 영화의 사진이 이렇게 차이가 나는가?"

주요 원인은 우리가 보는 블랙홀의 시각이 다르기 때문이다. M87을 촬영하는 것은 블랙홀이 돌아가는 방향을 따라 보는 것이지만,'인터스텔라'영화에서는 적도 방향을 따라 보여주는 블랙홀의 모습이다.이것은 둘 사이의 가장 큰 차이이다.

현대 과학기술은 블랙홀 연구에 매우 큰 편리를 가져다 주었을 뿐만 아니라, 과학기술이 천문 연구소에 미치는 영향을 이야기할 때 중력파는 매우 말할 만한 화제이다.중력파는 시공간의 잔물결이라고 할수 있다. 그것은 치밀한 천체가 우주에서 충돌하거나 폭발할 때 방출하는 거대한 에네르기로서 시공간에 산생하는 일종의 파동이다.

이 파동은 매우 미약하다. 우리는 수소폭탄이 지구상에서 파괴력이 가장 큰 무기라는 것을 안다.당시 구소련이 시도한 수소폭탄은 5000만 톤의 당량에 달해 모든 수소폭탄 중 파괴력이 가장 컸다고 할 수 있다.만약 우리가 수소폭탄 폭발의 가장 중심에 서서 그것이 시공간에 미치는 교란을 측정할 수 있다면, 교란은 10의 마이너스 27차방에 불과하다.원자핵 1개의 크기는 마이너스 18제곱미터 10개, 머리카락 1개의 크기는 10의 마이너스 5차제곱미터이다.비교해보면 우리는 이 수소폭탄이 비록 주위의 물체에 극히 큰 파괴를 초래하였지만 시공간에는 거의 조금도 손상이 없다는것을 알수 있다.

만약 어느 날, 매우 강력한 중력파가 지구를 통과할 때 지구상의 인류에게 어떤 영향을 미칠것인가?그것은 끊임없이 인간을 늘일 것이다.

위의 그림은 중력파가 사람에게 미치는 영향을 과장된 방식으로 보여주는 것으로, 한 사람이 갑자기 날씬해지거나 갑자기 뚱뚱해진다.그러나 실제로 중력파가 가져오는 인체의 변화는 원자핵이 하나도 크지 않다.

2015년 9월, 인류가 처음으로 중력파를 탐지한 것은 미국의 중력파 레이저 천문대가 탐지한 것이다. 이번 중력파의 효과는 단지 한 원자의 척도만 변화시켰을 뿐이다. 10의 마이너스 18제곱미터에 불과하다.

이로부터 우리 현대의 과학기술은 이미 이렇게 정밀한 측정을 할수 있다는것을 설명해주고있다.

1915년 일반상대성이론이 제기돼 1916년 중력파가 예측된 이후 2015년 중력파가 처음 직접 탐지되기까지 인류는 꼬박 한 세기 동안 탐구를 거쳤다.

중력파도 인류가 예상치 못한 많은 일을 발견하도록 도와주었다. 원래 우리는 우주에 질량이 매우 큰 블랙홀이 많이 존재할 줄은 전혀 생각하지 못했다.보라색 원점은 전통적인 망원경이 보는 블랙홀의 질량을 나타내는 것이고, 파란색은 중력파가 우리가 발견하는 데 도움을 주는 질량이 매우 큰 블랙홀이다.그래서 중력파는 인류가 블랙홀을 탐색하는 새로운 창구가 되었다.

다음: 블랙홀 동적 사진 촬영

앞으로 여러 해 동안 더 큰 프로젝트들이 진행되고 있습니다.예를 들어 미국의 LSST 프로젝트 (즉, Large Synoptic Survey Telescope, 대형 종합 순천 망원경).우리가 지금 보고 있는 많은 우주는 모두 정적인 우주이다. 예를 들면 우리는 매우 아름다운 그림을 볼 수 있다. 이 망원경의 목적은 바로 우주의 한 폭의 애니메이션 그림을 만드는 것이다.데이터의 양은 매일 밤 15TB에 달할 수 있으며, 이는 현재의 컴퓨팅 처리 능력에 매우 큰 도전입니다.

물론 더 큰 도전이 우리를 기다리고 있다. 중국이 참여하는 또 다른 대형 프로젝트인 제곱킬로미터 전파망원경(Square Kilometre Array, SKA). 1제곱킬로미터 이상, 2만여 개의 소형 망원경을 포함할 수 있으며, 초당 2TB의 데이터가 발생한다.그러므로 이렇게 방대한 수치를 어떻게 처리할것인가 하는것은 확실히 아주 큰 도전이다.

전체 인류 과학사의 발전을 살펴보면 현대 과학의 발전은 천문학의 관측 덕분이다.지난 수십 년 동안 천문학은 현대 과학 기술에서 수많은 혜택을 받았으며, 현대 과학 기술은 과학자들이 더 넓고 신기한 우주를 발견할 수 있도록 도왔다.천문학은 기초학과로서 저는 매사추세츠공대 총장이 중력파 발견 후 한 말에 깊은 찬성을 표합니다. 그는"기초과학은 매우 힘들고 엄밀하며 느리며 매우 충격적이고 혁명적이며 촉매적인 연구입니다.기초학과가 없다면 가장 좋은 구상은 개선될 수 없고 혁신도 소란스러울 수밖에 없다. 기초과학이 진보함에 따라 우리 사회 전체가 진보할 수 있다"고 말했다.