아인슈타인도 몰랐던 블랙홀의 진실

지구로 돌진하는 괴물, 우리은하 중심에서도 발견돼

최근 지구로 돌진하는 블랙홀이 발견되고 우리은하 중심에서 거대블랙홀의 존재가 확증되고 있다. 아인슈타인도 몰랐던 블랙홀의 진실을 만나보자. 또한 블랙홀이 내뿜는 중력파를 포착하려는 첨단기술도 살펴보자.

초등학생도 그 이름을 알 정도로 유명한 블랙홀. 외부물질과 빛뿐만 아니라 자기 자신도 먹어치우는 이상한 천체다. 블랙홀은 1783년 영국 케임브리지대의 존 미첼이 빛조차 탈출할 수 없을 정도로 강한 중력장을 가진 별을 상상하면서 탄생했다. 하지만 1915년 아인슈타인의 일반상대론이 나와서야 이론적인 설명이 가능해졌다. 중력을 구부러진 시공간으로 간주한 일반상대론은 아주 강력한 중력을 가진 블랙홀의 이론적인 배경이 됐기 때문이다.

아인슈타인은 일반상대론을 아름다운 수식으로 표현했지만, 이상하게도 그 수식의 해는 구하지 않았다. 1916년 독일의 천문학자 슈바르츠실트가 그 해를 구했다. 놀랍게도 이 해는 자전하지 않는 블랙홀의 크기, 즉 ‘사건 지평선’(event horizon)을 뜻했다. 블랙홀의 가능성이 처음 수학적으로 제시되는 순간이었다. 사건 지평선은 블랙홀과 바깥세계의 경계로 빛조차 빠져나오지 못하는 한계다. 이후 관측기술이 발달하면서 아인슈타인도 잘 몰랐던 블랙홀은 베일에 가렸던 정체를 조금씩 드러내고 있다. 최근 몇년 사이에 새롭게 밝혀진 블랙홀의 진면목을 들춰보자.

어떻게 총알처럼 움직일까

블랙홀이 우리 지구를 향해 돌진한다면 어떻게 될까. 모든 것을 빨아들인다는 블랙홀이 지구를 삼켜버리지 않을까. 2002년 11월 18일 미국 우주망원경과학연구소는 허블우주망원경이 이같은 위험을 가진 블랙홀을 관측했다고 발표했다. GRO J1655-40이라는 이름의 블랙홀이 시속 40만km의 엄청난 속도로 지구를 향하고 있다는 것. 하지만 다행히 지구로부터 6천-9천광년만큼 떨어진 안전한 거리를 두고 지나갈 예정이라고 한다. 보통 블랙홀은 우주 어딘가에 숨어서 주위 물질을 게걸스럽게 먹어치우는 줄 알았는데, 블랙홀이 총알처럼 빠르게 돌아다닌다니 놀랍다. GRO J1655-40의 경우 돌진 속도가 블랙홀 주변에 있는 다른 별들의 평균 속도보다 4배나 빠르다고 알려졌다. 그렇다면 GRO J1655-40이 이처럼 빠른 속도로 움직이게 된 이유는 무엇일까.

천문학자들에 따르면 블랙홀의 빠른 움직임은 블랙홀이 초신성 폭발에서 기원했다는 단서라고 한다. 무거운 별은 마지막 단계에 접어들 때 핵이 폭발적으로 붕괴된다. 이같은 붕괴는 바깥쪽으로 충격파를 발생시키며 이 충격파는 별의 바깥부분을 뿔뿔이 날려버린다. 이것이 초신성 폭발 현상이다. 이 과정에서 살아남은 핵은 태양 질량의 3.5배 이상일 경우 끝없이 붕괴를 일으켜 무한히 작고 조밀한 블랙홀이 된다. 결국 블랙홀은 초신성 폭발 때 한쪽 방향으로 발생한 추진력 덕분에 움직인다는 말이다.

GRO J1655-40이 빠른 움직임을 드러낸 최초의 블랙홀은 아니다. 이전에도 우리은하 안을 떠도는 블랙홀이 발견된 적이 있다. VLBA라는 전파망원경 배열과 로시 X선 우주망원경으로 움직임이 포착됐던 XTE J1118+480이라는 이름의 블랙홀이다. 무려 시속 48만km로 태양 근처의 은하평면을 통과해 지나갔던 것으로 밝혀졌다. 현재 지구에서 6천광년 떨어진 이 블랙홀에 대한 연구결과는 2001년 9월 13일자 ‘네이처’에 발표되기도 했다. 흥미로운 사실은 XTE J1118+480이 수십억년 된 구상성단(보통 은하 외곽에 위치하는 구형의 별무리)에서 뛰쳐나온 것으로 보인다는 점이다. XTE J1118+480이 우리은하의 역사 초기에 거대 원시별에서 탄생했던 블랙홀 가운데 하나라는 뜻이다.