[비즈한국] 블랙데이라고 들어봤는가? 한창 무슨 데이를 만드는 것이 유행하던 당시 튀어나온 요상한 기념일 중 하나인 블랙데이는 4월 14일이다. 매년 발렌타인데이와 화이트데이에 초콜릿과 사탕을 받지 못한 솔로들을 위한 기념일이다. 화이트데이에 대응해서 만든 블랙데이라는 이름에 걸맞게 이날은 솔로들이 짜장면과 같은 검정색 음식을 먹으며 외로움을 달랜다. 

블랙데이 4일 전인 4월 10일은 천문학자들에게 너무나 뜻깊은 기념일이다. 마침 블랙데이와 이름도 비슷한 ‘블랙홀데이(Blackhole Day)’다. 이날은 지난 2019년 4월 10일 처음으로 블랙홀의 실제 모습을 관측해 발표한 것을 기념해 만들어졌다. 천문학자들은 지구 남반구와 북반구 전역의 전파 망원경을 총동원한 사건의 지평선 망원경(EHT, Event Horizon Telescope) 프로젝트를 통해 블랙홀의 사진을 촬영하는 데 성공했다. 천문학자들은 우리 은하 중심과 5500만 광년 거리에 있는 타원은하 M87 중심의 초거대 질량 블랙홀을 촬영했다. 그리고 그 중 더 선명한 이미지를 얻는 데 성공한 M87 중심 블랙홀의 초상화를 먼저 공개했다. 천문학자들은 이 초상화의 주인공에게 ‘포웨히(Pōwehi)’라는 별명을 지어주었다. 포웨히는 하와이 신화에 등장하는 단어로 ‘빛으로 장식된 그 깊이를 알 수 없는 어둠의 창조물’이라는 뜻이다. 

이 초상화 속 블랙홀의 모습은 마치 불그스름하게 잘 구운 글레이즈드 도넛을 떠올린다. 그래서 천문학자들은 매년 4월 10일 도넛을 먹으며 블랙홀 사진을 최초로 촬영해 공개한 블랙홀데이를 기념한다. 일부 천문학자들은 블랙홀 주변에 물질이 빨려들어가면서 길게 늘어지는 현상을 ‘스파게티화(Spaghettification)’라고 이야기하는 것을 이유로 블랙홀 데이에 스파게티가 더 어울리는 메뉴라고 주장하지만 일단 대세는 도넛이 되었다. 아직 연인이 없는 솔로 천문학자라면 4일 간격으로 한 주 동안 도넛과 짜장면을 배불리 먹을지 모르겠다. 

천문학자들이 실제 관측을 통해 확인한 블랙홀의 모습은 앞서 물리학자들이 예상한 모습과 너무나 비슷했다. 영화 ‘인터스텔라’에서 표현한 블랙홀의 모습, 영화 속 모습 그대로 거대한 괴물 초거대 질량 블랙홀이 도넛 모양으로 빛을 내고 있었다. 그런데 여기에 더해 최근 천문학자들은 이 포웨히 블랙홀의 초상화에 새로운 붓 터치를 더하며 한 번 더 그 초상화를 업데이트했다. 그리고 이전까지 본 적 없었던 블랙홀 속으로 빨려들어가는 물질들이 남긴 최후의 흔적을 포착하는 데 성공했다. 

과연 이 새롭게 완성된 블랙홀의 초상화는 어떻게 그려진 것일까? 블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 빠져나올 수 없다고 하던데 그럼 대체 천문학자들은 블랙홀의 모습을 어떻게 찍을 수 있었을까? 재밌게도 이 블랙홀 사진을 제대로 이해하기 위해서는 물리학자가 아닌 화가 파블로 피카소를 떠올릴 필요가 있다. 블랙홀과 피카소에는 놀라운 공통점이 있기 때문이다. 

피카소의 작품과 블랙홀 사진에는 어떤 공통점이 있을까?

#목구멍 대신 찍은 입술 사진 

지구를 벗어나는 로켓은 엄청난 엔진을 순식간에 태우면서 빠르게 날아간다. 지구의 중력을 벗어나기 위해 필요한 지구 탈출 속도 이상의 속도를 만들어내기 위해서다. 만약 지구보다 더 중력이 강한 목성, 토성 같은 곳에서 로켓을 발사하려고 한다면 훨씬 더 강한 추력과 속도를 내야 한다. 만약 중력이 훨씬 더 강한 블랙홀에서 로켓을 쏜다면 어떨까? 어마어마하게 강한 블랙홀의 중력을 벗어나기 위해서는 엄청난 속도가 필요하다. 심지어 우주에서 가장 빠른 빛의 속도로 탈출을 시도해도 벗어나지 못할 정도다. 빛조차 블랙홀을 벗어날 수 없게 된다. 그래서 아무런 빛도 새어나오지 못해 칠흑같이 어두운 깊은 구멍이라는 뜻으로 블랙홀이란 별명을 얻게 되었다. 

중력은 거리가 가까울수록 더 강해진다. 그래서 블랙홀에서 훨씬 멀리 벗어난 곳이라면 블랙홀의 중력이 약해지기 때문에 블랙홀을 벗어나기 위한 탈출 속도가 작다. 하지만 블랙홀에 점점 가까이 접근할 수록 블랙홀을 벗어나기 위해 필요한 탈출 속도는 굉장히 커진다. 블랙홀에 얼마나 가까이 접근해야 빛조차 탈출할 수 없게 되는지, 그 경계의 범위를 블랙홀 주변의 사건의 지평선(Event Horizon)이라고 부른다. 사건의 지평선 밖에서는 빛이 블랙홀을 벗어날 수 있지만 그 경계 안에서는 빛이 새어나오지 못한다. 그 어떤 것도 빛을 보는 기존의 관측으로는 볼 수 없다. 

보통 천문학자들이 ‘블랙홀의 크기’라고 이야기하는 건 바로 이 사건의 지평선의 크기다. 사실 정확히 말하면 블랙홀 자체는 크기가 없다. 크기가 0이다. 그냥 한 점에 모든 질량이 무한에 가까운 밀도로 뭉쳐 있는 초고밀도의 코딱지라고 볼 수 있다. 블랙홀 자체의 질량이 무겁고 중력이 강할수록 훨씬 더 멀리 벗어나 있어야 빛이 탈출할 수 있을 것이다. 즉 블랙홀의 중력의 세기는 사건의 지평선의 크기로 확인할 수 있다. 그래서 관습적으로 편의상 블랙홀의 사건의 지평선 크기를 블랙홀의 크기라고도 부른다. 이 사건의 지평선 크기를 수학적으로 처음 규명한 물리학자의 이름을 붙여서 이 반경을 슈바르츠실트 반지름(Schwarzchild Radius, Rs)이라고도 한다.

이런 블랙홀이 주변의 별과 가스 물질을 빨아들이면서 한창 우주급의 폭풍 먹방을 선보이는 경우가 많다. 블랙홀 주변에서 아주 빠른 속도로 맴돌면서 뜨겁게 달궈진 물질들이 블랙홀 주변을 거대한 도넛처럼 에워싼 채 원반을 형성한다. 이 원반을 블랙홀 주변의 강착 원반(accretion disk)이라고 한다. 보통 강착 원반은 중심 블랙홀에 아무리 가까워봤자 슈바르츠실트 반지름의 세 배 정도 거리까지만 형성된다. 그보다 더 가까이 접근하면 물질들이 안정적인 속도를 유지하면서 블랙홀 곁을 맴돌지 못하고 블랙홀로 빨려들어가기 때문이다. 

블랙홀 주변 슈바르츠실트 반지름의 1.5배 정도 거리까지 접근하면 빛, 즉 광자 역시 블랙홀 곁을 안정적으로 맴돌기 어려워진다. 이렇게나 블랙홀 가까이 접근한 상황에서는 광자도 블랙홀로 끌려갈지 블랙홀 바깥으로 벗어날지 운명의 갈림길에 놓이게 된다. 블랙홀 주변에서 빛이 새어나올 수 있는지 없는지가 갈리기 시작하는 영역을 블랙홀 주변의 광자 고리(Photon ring)라고 한다. 우리가 빛, 전자기파를 통해 관측할 수 있는 블랙홀의 모습은 여기가 한계다. 

#중력이 완성한 큐비즘 초상화 

아인슈타인의 상대성이론에 따르면 중력은 시공간의 휘어짐, 왜곡을 만들어낸다. 이 글을 읽고 있는 당신도 엄밀하게 보면 고유의 질량, 즉 중력을 행사하고 있는 물체이기 때문에 당연히 당신이 앉아 있는 주변 시공간에 미미한 왜곡을 일으키고 있다. 덩치가 더 클수록 주변 시공간에 더 큰 영향을 준다. 물론 우리는 거대한 별이나 블랙홀에 비해서는 질량이 훨씬 가볍기 때문에 시공간에 남기는 영향이 엄청 미미하다. 블랙홀처럼 중력이 강력한 괴물이라면 시공간에 가해지는 영향도 굉장히 크다. 

보통 일반적인 별에서는 별빛이 그냥 곧게 사방으로 뻗어나간다. 그 중에서 우리 지구를 향해 날아오는 모습만 보기 때문에 우리는 별의 앞모습만 볼 수 있을 뿐, 우리를 등지고 있는 별의 뒤통수에서 날아온 빛은 볼 수 없다. 하지만 블랙홀의 경우는 다르다. 블랙홀의 광자 고리 바깥에서 새어나오는 빛줄기들이 어떤 경로를 그리면서 퍼져나갈지를 생각해보자. 우리가 블랙홀을 보고 있을 때, 우리가 보고 있는 블랙홀의 앞 얼굴 쪽의 광자 고리에서 출발한 빛 줄기는 그대로 우리의 시선을 향해 날아온다. 그런데 놀랍게도 블랙홀의 경우 다른 별과 달리 뒤통수의 빛줄기 역시 심하게 경로가 휘어서 거의 유턴하다시피해서 우리를 향해 날아올 수 있다. 

이처럼 블랙홀 주변에서 빛, 광자가 아슬아슬하게 빠져나올 수 있는 한계였던 광자 고리에서 퍼져나온 빛이 우리를 향해 쭉 날아오면서 퍼져오는 영역을 그려보면 대략 슈바르츠실트 반지름의 2.6배 정도의 영역으로 퍼져나오게 된다. 바로 이 영역을 천문학자들은 블랙홀의 그림자라고 부른다. 우리가 직접적인 관측을 통해 볼 수 있는 어둠 속 중앙의 블랙홀에 가장 가까운 영역의 한계가 바로 이 블랙홀의 그림자다. 천문학자들이 공개한 블랙홀의 초상화 모습은 사실 이 블랙홀의 그림자의 모습이다. 

블랙홀 주변에서 빛의 경로가 뒤집힐 정도로 휘어지는 아주 강력한 중력 렌즈의 효과는 영화 ‘인터스텔라’ 속 가르강튀아 블랙홀의 모습에서 잘 표현되었다. 영화 속 블랙홀의 모습을 보면 중앙의 새까만 구가 하나 있다. 바로 그것이 앞서 설명한 슈바르츠실트 반지름, 즉 사건의 지평선 이내의 영역으로 빛이 새어나오지 않아 까만 영역으로 표현되었다. 그리고 그 바깥을 밝게 빛을 내는 강착 원반이 에워싸고 있다. 마치 토성 주변에 거대하고 얇은 고리가 둘러져 있는 것처럼 블랙홀 주변에 강착 원반이 그려져 있다. 그런데 영화 속 강착 원반의 모습을 보면 좀 이상하다. 단순히 블랙홀 옆에 훌라후프처럼 에워싸고 있을 뿐만 아니라 블랙홀의 위와 아래로도 고리의 형태가 휘어져 표현되어 있다. 

앞서 설명한 것처럼 이것은 블랙홀 주변의 빛 줄기의 경로를 휘어버리는 강력한 중력 렌즈 효과 때문이다. 만약 중력 렌즈 효과가 없었다면 영화 속 블랙홀의 모습은 그냥 토성 주변에 고리가 있는 것처럼, 블랙홀의 옆에만 고리가 얇게 둘러싸고 있는 모습이었을 것이다. 블랙홀 앞으로 지나가는 강착 원반은 볼 수 있지만 블랙홀의 까맣고 둥근 사건의 지평선 뒤에 가려진 강착 원반 일부는 보이지 않아야 한다. 하지만 블랙홀 주변의 강하게 왜곡된 시공간을 따라, 가려져서 보이지 말아야 할 뒤쪽의 강착 원반의 빛까지 휘어져 우리의 시야로 들어온다. 

결국 블랙홀은 강한 중력으로 인해서 정면의 얼굴뿐 아니라, 원래는 시야에서 가려져서 보여선 안되는 옆모습, 뒤통수의 모습까지 한꺼번에 동시에 보여줄 수 있다. 이러한 블랙홀의 모습은 사람의 앞모습과 옆모습, 뒷모습을 동시에 그리고자 했던 입체파, 큐비즘의 대가 파블로 피카소의 화풍을 떠올리게 만든다. 블랙홀의 초상화는 빛이라는 물감과 중력이라는 붓을 통해 완성한, 블랙홀의 앞 얼굴과 뒤통수를 동시에 담고 있는 중력의 큐비즘 작품이라고 볼 수 있지 않을까? 

#거대하고 붉은 도넛 포에히 블랙홀 

2019년 4월 공개된 포웨히 블랙홀은 태양 질량의 650만 배에 달하는 엄청난 질량을 갖고 있다. 그 덩치에 걸맞게 블랙홀 주변 사건의 지평선과 광자 고리의 영역도 아주 크다. 포웨히 블랙홀의 사건의 지평선은 반경 약 160억 km의 크기다. 블랙홀 초상화의 중심에 태양을 두면 명왕성 궤도가 통째로 초상화 속 도넛 모양의 중심 구멍 안에 쏙 들어온다. 이 초상화 위에 지구 바깥으로 인류가 가장 멀리까지 날려보낸 탐사선 보이저 호의 위치를 찍어보면 가까스로 사건의 지평선을 벗어난 지점에 찍힌다. 이 블랙홀 초상화에 담긴 광자 고리는 우리 태양계가 통째로 쏙 들어가고도 남을 만큼 아주 거대한 붉은 도넛이라고 볼 수 있다. 

천문학자들은 이 거대한 도넛에서 만족하지 않고 새로운 관측을 시도했다. 천문학자들은 이를 확인하기 위해 칠레 아타카마 사막의 거대 접시 APEX(Atacama Pathfinder Experiment) 망원경들을 활용한 초장기선 간섭계(VLBI, Very Long Baseline Interferometer) 관측을 진행했다. 그리고 바로 이 사진처럼 중심의 블랙홀을 나선 모양으로 휘감으며 광자 고리를 따라 쭉 이어지는 자기장 흐름의 흔적을 포착했다. 대체 왜 이런 모습을 얻었을까? 

지구 전역에 나침반을 깔았다고 생각해보자. 모든 나침반 바늘은 지구의 자기장 방향을 따라 같은 하나의 방향으로 쭉 정렬할 것이다. 마찬가지로 블랙홀의 강력한 자기장에 의해 그 주변 먼지 입자들은 같은 방향으로 쭉 정렬한다. 입자들은 그들이 정렬한 특정 방향으로 진동하는 빛만 투과되도록 제한하는 일종의 편광 필터 역할을 하게 된다. 그래서 블랙홀 주변의 빛들이 얼마나 같은 방향으로 편광되어 있는지를 보면 그 주변 자기장의 방향과 세기를 알 수 있다. 

만약 블랙홀 주변의 자기장이 아주 약하다면 그 주변의 물질은 블랙홀 주변을 둥글게 맴도는 방향으로 더 정렬해 있을 것이다. 빛은 자기장에 수직한 방향으로 편광되어 관측된다. 결국 블랙홀의 자기장이 약할 때는 중심의 블랙홀에서 방사형으로 사방으로 뻗어나가는 형태로 편광된 빛을 보게 된다. 반면 블랙홀의 자기장이 엄청 강해서 자기장이 중심의 블랙홀에서 뻗어나오는 형태로 형성되어 있다면, 이번엔 반대로 그 자기장에 수직한 둥글게 고리를 그리는 방향으로 편광된 빛의 흐름을 볼 수 있다. 

블랙홀 주변 자기장이 약할 때와 강할 때 각각 어떤 모양의 자기장과 편광된 빛을 보게 될지를 보여주는 영상. 영상=EHT Collaboration

블랙홀 주변 자기장이 아주 약하지도, 너무 강하지도 않은 그 중간 정도의 세기를 갖고 있다면 블랙홀 주변의 편광된 빛이 방사형으로 뻗어나가는 형태와 둥글게 휘감긴 고리 형태의 중간에 해당하는 약간 안쪽으로 휘감겨 돌아가는 나선 형태로 형성될 것이다. 이번에 천문학자들이 확인한 블랙홀 주변 편광된 빛의 모습이 바로 이렇다. 자기장 관측 결과까지 추가된 이번 블랙홀의 초상화를 보면 파블로 피카소의 그림 위에 하나의 방향으로 휘감기는 고흐의 강렬한 붓터치가 추가된 것처럼 느껴진다. 

붉게 달아오른 채 둥글게 휘감겨 있는 광자 고리를 따라 한 방향으로 휘감긴 자기장의 흐름을 보면 스파게티 도넛의 모습이 떠오른다. 이번에 새롭게 추가된 블랙홀 주변 자기장 관측까지 함께 기념하기 위해서, 이제 블랙홀 데이에 일반 도넛이 아니라 스파게티로 만든 도넛을 먹는 건 어떨지 제안해보고 싶다. 마침 블랙홀 데이에 도넛을 먹어야 한다는 천문학자들과 스파게티를 먹어야 한다는 천문학자들, 둘을 모두 만족시킬 수 있는 메뉴가 될 듯하다. 

내년 4월 10일에는 스파게티 도넛을 먹어보는 건 어떨까? 5500만 광년 거리에서 시공간을 휘감고 있는 무시무시한 블랙홀을 닮은 도넛을 손에 쥔 채, 한 세기도 더 전에 블랙홀의 존재와 그 모습을 정확하게 예측했던 아인슈타인을 비롯한 물리학자들의 위대함을 맛볼 수 있는 재밌는 시간이 될 것이다. 

“당신이 상상할 수 있는 모든 것이 현실이다(Everything you can imagine is real).” -파블로 피카소

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com

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