[비즈한국] 지금껏 풀리지 않은 미스터리 중 하나, 블랙홀은 정말 영원할까? 스티븐 호킹은 블랙홀조차 입자를 방출하며 서서히 증발할 가능성을 보였다. 호킹 복사다. 마치 온도를 머금은 별이 빛을 방출하듯, 정확히 흑체 복사의 형태로 블랙홀도 에너지를 방출할 수 있다는 개념이다.
호킹 복사는 블랙홀 주변 사건의 지평선의 곡률에 따라 달라진다. 질량이 무거운 블랙홀은 사건의 지평선이 워낙 거대해서 오히려 시공간이 휘어진 곡률이 적다. 반면 질량이 작은 블랙홀은 사건의 지평선도 작고, 곡률이 휘어진 정도가 더 심하다. 그래서 호킹 복사는 블랙홀이 무거울 때는 매우 느리게 진행되다가, 블랙홀이 점점 증발하고 가벼워질수록 걷잡을 수 없이 빨라진다. 만약 블랙홀이 소행성 정도로 가벼워진다면, 굉장히 긴 시간 상당한 양의 빛을 눈부시게 토해내야 한다.
최근 천문학자들을 설레게 하는 사건이 있었다. 전설 속의 호킹 복사를 드디어 포착한 게 아닐까 하는 엄청난 사건이었다. 호킹의 마지막 꿈, 호킹 복사를 관측으로 입증할 수 있을까?
천문학자들은 빅뱅 직후, 우주 전역에 수많은 원시 블랙홀이 태어났을 거라고 본다. 초기 우주에 높은 밀도로 원시 블랙홀이 가득했다. 이들은 서로 빠르게 충돌하며 덩치를 키웠고, 오늘날 은하 중심에 있는 초거대 질량 블랙홀의 씨앗이 되었을 것이다. 우리가 기대하듯 초기 우주에 많은 가벼운 원시 블랙홀이 있었다면, 당연히 멀리 떨어진 과거의 우주를 보면 이들이 토해내는 눈부신 섬광을 포착해야 하지 않을까?
비록 지금은 모두 사라졌지만, 분명 한때 존재했을 원시 블랙홀이 토해낸 고에너지 입자들이 우주 공간을 떠돌고 있어야 한다. 태양풍의 영향권을 벗어나 이미 성간 우주여행에 접어든 보이저 탐사선의 검출기에 이런 원시 블랙홀의 흔적이 포착될 거라 기대하는 천문학자들도 있다. 다만 아쉽게도 보이저의 배터리는 머지않아 완전히 꺼진다. 그래서 보이저의 흐릿한 신호에만 의지하며 원시 블랙홀의 흔적을 찾는 건 어렵다.
그런데 지난 2023년 2월 13일 지중해 바다 깊은 곳에 설치한 중성미자 검출기 KM3Net에서 놀라운 신호가 검출되었다. KM3Net에서는 수천 개의 광학 센서가 고에너지 중성미자가 물속을 빠르게 훑고 지나가면서 퍼뜨리는 체렌코프 복사의 흔적을 검출한 것. 프랑스, 그리스 앞바다 해저에 설치되는 KM3Net는 아직 검출기 일부만 설치되었을 뿐, 한창 건설 중이다. 모두 완공되면 총 1㎦에 이르는 거대한 부피의 해저 공간을 검출기로 가득 채우게 된다. 바닷속에 잠긴 버전의 슈퍼카미오칸데라고 볼 수 있다.
검출기에 포착된 중성미자는 무려 220PeV(페타일렉트론볼트) 수준의 엄청난 에너지를 머금었다! 이게 얼마나 대단한 수준이냐면, 현재 지구에 있는 가장 강력한 입자가속기를 가동해서 만들 수 있는 가장 강력한 입자의 에너지가 이 중성미자 에너지의 1만 분의 1도 안 된다. 인간은 결코 흉내 낼 수 없는 엄청난 에너지의 입자가 우주 멀리서 날아온 것이다! 천문학자들은 어쩌면 빅뱅 직후 1초도 지나지 않았을 때 탄생했던 극초기 원시 블랙홀이 소멸하면서 토해낸 흔적일지 모른다는 희망까지 품었을 정도다.
검출기에 감지된 중성미자가 남긴 흔적을 바탕으로, 만약 그 중성미자를 토해낸 범인이 정말 원시 블랙홀이라면 어느 정도로 무거운 블랙홀이어야 할지, 또 얼마나 먼 거리에서 날아온 것일지를 유추했다. 그 결과, 고작 산 하나 수준의 질량을 지닌 원시 블랙홀이 겨우 12억 km 거리에서 증발하면서 방출한 중성미자였어야 한다는 결론이 나왔다! 이 정도면 겨우 토성까지 거리밖에 안 된다. 다시 말해 소행성은커녕 산 하나 수준밖에 안 되는 아주아주 작은 원시 블랙홀이, 그것도 빅뱅 직후 1초 밖에 안 지났을 때부터 지금까지 줄곧 살아남은 원시 블랙홀이 먼 우주도 아니고 태양계 안에 어떻게 우연히 들어왔다가 최근에 갑자기 소멸하면서 엄청난 고에너지 입자를 방출했을 거라는 말이다. 정말 설레는 일이지만, 한편으로는 의심스럽다.
사실 고에너지 중성미자를 만드는 건 원시 블랙홀뿐만이 아니다. 예를 들어 감마선 폭발 천체나 초신성 폭발과 같은 다른 강력한 폭발적 현상도 중성미자를 방출할 수 있다. 만약 정말 원시 블랙홀이 소멸하면서 남긴 중성미자라면, 정확히 블랙홀이 사라지는 순간뿐 아니라 그 이전 몇 시간 전부터 지속적으로 비슷한 수준의 감마선이 함께 검출됐어야 한다. 중성미자 검출 직전부터 고에너지 감마선도 비슷한 방향에서 포착돼야 진짜 원시 블랙홀이었다는 걸 입증할 수 있다.
이미 지구 전역에는 중성미자와 감마선을 기다리는 사냥꾼들이 많이 설치됐다. 이번 연구에서 천문학자들은 남극 얼음 아래 바닷속에 설치한 또 다른 수중 중성미자 검출기 아이스큐브(IceCube), 티벳 고원 인근 고고도 지역에서 대기권에서 쏟아지는 고에너지 우주선 입자를 기다리는 고고도 대기 중 우주선 관측소(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)와 멕시코에 위치한 고도 4100m 시에라 네그라 화산 기슭에 있는 고고도 물 체렌코프 관측소(High Altitude Water Cherenkov observatory, HWAC)의 관측 결과를 함께 비교했다.
하지만 그 어느 곳에서도 다른 중성미자, 감마선의 흔적은 포착된 적 없었다. 만약 정말 KM3Net에서 검출한 입자가 원시 블랙홀 때문에 날아온 고에너지 중성미자였다면, LHAASO에서는 블랙홀이 소멸하기 전까지 최소 7시간에서 14시간 사이에는 수억 개가 넘는 감마선을 포착했어야 한다. IceCube에서도 블랙홀이 소멸하는 최후의 순간에 최소 100개는 넘는 중성미자를 검출했어야 한다. 아쉽게도 HWAC는 그 기간 관측을 쉬고 있었다. 결국 KM3Net에 포착된 말도 안 되게 강력한 초고에너지 중성미자를 날려보낸 범인의 정체는 밝혀지지 않았다. 슬프지만 적어도 우연히 태양계 내부까지 침투한 원시 블랙홀은 아니었던 것 같다.
일부 천문학자들은 빅뱅 직후부터 존재했고 일반적인 광학 관측으로는 찾기 쉽지 않다는 점에서 원시 블랙홀이 우주를 채우고 있는 암흑 물질일지 모른다는 의심까지 한다. 또 최근 제임스 웹 관측을 통해 우주 끝자락, 초기 우주에서 계속해서 포착되는 또 다른 수수께끼, 작고 붉은 점(Little red dot)을 원시 블랙홀과 연결지으려 한다. 하지만 아직 그 어떤 것도 우리가 기대하는 진짜 원시 블랙홀에 완벽하게 부합하지는 않는다.
한 가지 확실한 건, 적어도 우리가 추정하는 우주의 진화 모델에 따르면 분명 우주는 한때 원시 블랙홀을 왕창 만들었던 시기를 거쳤어야 한다. 지금쯤은 전부 덩치를 키워서 은하 중심 초거대 질량 블랙홀로 변했거나, 미처 합체하지 못한 작은 블랙홀들은 이미 빠르게 증발하고 사라졌을 것이다. 그랬다면 분명 우주 어딘가에는 원시 블랙홀이 소멸하면서 남긴 고에너지 입자가 정처 없이 우주 공간을 떠돌고 있어야 한다.
이번 논란은 비록 원시 블랙홀을 확실히 찾아내고 검증하는 데는 실패했지만, 한 가지 큰 가능성을 통해 나름의 위로를 건넨다. 이제 우리는 감마선, 엑스선과 같은 고전적인 고에너지 전자기파뿐 아니라, 중성미자라는 새로운 눈으로 우주를 함께 바라본다. 또 이들이 어디에서 날아오는지 지도를 그리는 새로운 멀티 메신저 관측의 시대를 열어나가고 있다. 결코 관측하지 못할 거라 단념하고 포기했을 법한 중력파도 결국 포착했듯이, 천문학자들의 끈질긴 노력 끝에 또 다른 전설 속 존재, 원시 블랙홀의 꼬리도 밟히는 날이 머지않아 오길 바란다. 이미 세상을 떠난 호킹의 못 다 이룬 꿈이 이루어지는 날이 오기를 바란다.
참고
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250524666A/abstract
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 세종대학교 자유전공학부 조교수로 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 함께 하고 있다. ‘날마다 우주 한 조각’, ‘별이 빛나는 우주의 과학자들’, ‘갈 수 없지만 알 수 있는’, ‘우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들’ 등의 책을 썼으며, ‘진짜 우주를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서’, ‘나는 어쩌다 명왕성을 죽였나’, ‘퀀텀 라이프’, ‘코스미그래픽’ 등을 번역했다.
지웅배 과학칼럼니스트
writer@bizhankook.com[핫클릭]
·
[사이언스] 텅 빈 공간서 별 쏟아내는 '미스터리 은하' NGC 6789
·
[사이언스] '칠공주' 플레이아데스에게 숨겨진 친척 별이 3000개나!
·
[사이언스] 쌍성도 아니고 삼체라니! 지구 위협하는 태양계 너머 별
·
[사이언스] 2026년 우주에선 어떤 일이 벌어질까
·
[사이언스] 엄청나게 시끄럽고 믿을 수 없게 많은 '스타링크' 위성
