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과학과 놀자

블랙홀 운명 밝혀 노벨물리학상 수상한 펜로즈, 우주 시공간의 전체 기하학적 구조에서 파악

2020년 노벨물리학상 수상자인 로저 펜로즈는 정신과 의사인 아버지와 함께 '펜로즈의 삼각형'<그림1>으로 알려진 비현실적인 도형을 디자인했다. 이 도형들은 상대론을 그림에 담고자 했던 화가 에셔(Escher)와의 교감을 통해 발전해갔다. 펜로즈의 삼각형과 에셔의 판화 '폭포(Waterfall)'<그림2>는 부분을 보면 현실적으로 가능하지만 전체를 보면 구현이 불가능하다. 펜로즈는 이런 불가능한 도형의 기하학적 연구를 확대해 블랙 홀 형성이 우리 우주에서 피할 수 없는 운명임을 밝혔다. 아인슈타인도 부정한 블랙홀의 존재아인슈타인의 일반상대론이 1915년 발표된 직후, 1916년 슈바르츠실트는 ‘구대칭 구조의 블랙홀 해(解)’를 발견했다. 이 해에 의하면 빛도 빠져 나오지 못하는 영역인 사건의 지평선이 존재한다. 그런데 블랙홀 해는 사건의 지평선과 중심에서 무한대로 발산하는 성질을 가지고 있어서 논란의 대상이 됐다. 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 부정했고 계산을 통해 블랙홀이 현실적으로 불가능함을 보였다. 상대론으로 우주 시공간의 인식을 바꾼 아인슈타인이지만, 양자역학에 이어 블랙홀의 존재까지 부정한 것이다.그런데, 아인슈타인의 계산은 몇 가지 잘못된 가정에서 출발했다. 별이 블랙홀로 수축하지 않고, 유한한 밀도를 가진 평형 상태에서 멈출 것이라고 가정한 것이다. 슈바르츠실트 해에 의하면 태양이 반경 3㎞ 이내로 압축되면 블랙홀이 되고, 지구가 반경 9㎜ 이내로 압축되면 블랙홀이 되는데, 당시 상식으로는 상상할 수 없는 현상이었기 때문이다. 압축되기 전에 다른 안정된 상태에서 멈추는 것이 훨씬 자연스러워 보였을 것이다. 펜로즈,

경제 기타

인류가 최초로 확인한 '블랙홀'…우주의 신비가 벗겨지다

국내 1000만여 관객이 본 SF(공상과학)영화 ‘인터스텔라’에선 주인공이 우주선을 타고 블랙홀로 들어가는 장면이 나온다. 주인공은 이후 다른 시공간 속 자신과 딸을 본다. 비록 말을 걸지는 못했지만 책장을 움직이는 등 마주한 이(異)공간에 물리적 영향을 주는 모습까지 영화에 담겼다. 이런 일이 가능할까.‘지구 크기 망원경’으로 블랙홀 처음 확인지난 10일 초거대블랙홀 ‘M87’의 모습이 최초로 공개됐다. 인류사적 사건이다. 블랙홀 탐사 전문 글로벌 연구팀 EHT(사건지평선망원경)가 전 세계 8개 전파망원경을 연결해 블랙홀 모습을 처음으로 ‘재현’했다. 실제 모습을 실시간으로 찍은 건 아니다.EHT엔 미국 매사추세츠공대(MIT) 헤이스택관측소, 미 하버드-스미스소니언 천체물리센터, 독일 막스플랑크전파연구소 등 내로라하는 세계 연구기관 소속 과학자 200여 명이 참여했다. 한국항공우주연구원, 한국천문연구원 등 국내 연구소들도 제휴기관으로 공동 연구했다.어떻게 블랙홀을 재현했을까. 거대전파망원경은 서로 연결하면 그 반경만큼의 분해능(확대능력)을 갖는다. 예를 들면 한국천문연구원의 한국우주전파관측망(KVN)은 서울 연세대, 울산대, 제주 서귀포 등 세 곳의 전파망원경을 연결해 ‘한국 땅 크기의 분해능’을 갖는다. EHT는 칠레, 남극, 미국, 스페인, 프랑스 등에 있는 8개 거대전파망원경을 연결해 ‘지구 크기’의 망원경을 만들었다. 이 망원경의 분해능은 한라산에서 백두산 끝자락에 있는 머리카락 한 올도 자세히 볼 정도다.지구 질량의 58~72억 배…환산 크기는 380억㎞그동안 영화, 서적 등에서의 블랙홀 모습은 모두 물리학적 이론에