스마트가이드

이번 편은 지금까지의 블랙홀 이야기와 조금 다릅니다. 별이나 은하처럼 눈에 보이는 우주 현상보다 양자역학과 중력이 충돌하는 가장 깊은 문제 를 다루게 됩니다. 특히 중요한 것은 한 가지예요. “정보가 사라진다”는 말이 단순히 기억이 없어진다는 뜻이 아니라, 양자역학에서 하나의 상태가 다른 상태로 완전히 되돌릴 수 없게 되는 문제 라는 것입니다. 또 최근 연구에서 Page 곡선과 ‘양자적 섬(island)’, replica wormhole 등을 이용해 정보 보존과 일치하는 계산이 상당히 발전했지만, 이것을 실제 우주에서 블랙홀 정보 문제가 완전히 해결됐다고 말하기에는 아직 이릅니다. 이 부분은 과학적으로 조심스럽게 표현했습니다. ( Nature ) 우주 이야기 14편 블랙홀에 들어간 정보는 정말 사라질까? 모든 것을 삼키는 블랙홀, 그 안으로 들어간 정보는 어디로 가는가? 블랙홀은 이상한 천체입니다. 빛도 빠져나올 수 없습니다. 별도 삼킬 수 있습니다. 가스와 먼지도 끌어당깁니다. 그리고 11편에서 살펴본 것처럼 블랙홀에 너무 가까이 접근한 별은 강력한 조석력에 의해 길게 늘어나면서 결국 산산이 찢어질 수도 있습니다. 12편에서는 블랙홀 주변의 강착원반과 자기장이 거대한 제트를 만들어 수천 광년 이상 우주로 뻗어 나갈 수 있다는 사실도 알아봤습니다. 13편에서는 더 놀라운 질문을 던졌습니다. “그렇다면 이렇게 거대한 블랙홀은 어떻게 만들어졌을까?” 그리고 이제 블랙홀에 관한 가장 깊은 질문에 도착했습니다. 바로 이것입니다. 블랙홀 안으로 들어간 정보는 어떻게 되는 것일까? 별이 블랙홀 안으로 떨어집니다. 가스도 떨어집니다. 빛도 들어갑니다. 그렇다면 그 별과 가스와 빛이 가지고 있던 모든 정보는 정말 영원히 사라지는 것일까요? 처음에는 별것 아닌 것처럼 보이는 질문이었습니다. 하지만 이 질문은 현대 물리학의 가장 어려운 문제 가운데 하나가 되었습니다. 이것이 바로 **블랙홀 정보 역설(Black Hole Information Paradox)**입니다. 1. 먼...

우리의 우주 이야기 13편 블랙홀은 어떻게 그렇게 거대해졌을까? 작은 블랙홀이 어떻게 태양 수십억 개의 질량을 가진 초대질량 블랙홀이 되었을까? 우리는 지금까지 블랙홀이 별의 죽음에서 태어날 수 있다는 이야기를 살펴봤습니다. 별이 자신의 연료를 모두 소진하고, 거대한 폭발을 일으키거나 중심부가 붕괴하면서 아주 작은 영역에 엄청난 질량이 모입니다. 그리고 그곳에서 블랙홀이 탄생할 수 있습니다. 11편에서는 그런 블랙홀이 별을 만나면 별 자체를 길게 늘어뜨리고 결국 산산이 찢어버릴 수도 있다는 이야기를 했습니다. 12편에서는 블랙홀 주변의 강착원반과 자기장이 엄청난 에너지의 제트를 만들어 수천 광년 이상 우주로 뻗어 나갈 수 있다는 사실도 살펴봤습니다. 그런데 여기에서 아주 이상한 질문 하나가 남습니다. 그렇게 작은 블랙홀이 어떻게 태양 수십억 개의 질량을 가진 거대한 블랙홀이 되었을까요? 더 놀라운 것은 우주가 아직 아주 젊었을 때부터 이미 엄청나게 거대한 블랙홀이 존재했다는 사실입니다. 우주가 지금보다 훨씬 젊었던 시대. 은하도 아직 제대로 성장하지 않았던 시기에 이미 태양 질량의 수억 배, 수십억 배에 이르는 블랙홀이 발견됩니다. 그렇다면 이 거대한 블랙홀들은 도대체 언제 태어났고, 어떻게 그렇게 빨리 성장한 것일까요? 1. 가장 먼저 떠오르는 생각 가장 간단한 설명부터 생각해 봅시다. 블랙홀은 주변의 물질을 먹으면서 커집니다. 그렇다면 작은 블랙홀이 주변의 가스와 별을 계속 흡수하면 언젠가는 거대한 블랙홀이 될 수 있지 않을까요? 원리만 놓고 보면 맞는 이야기입니다. 실제로 초대질량 블랙홀은 주변의 가스를 흡수하고, 다른 블랙홀과 합쳐지고, 오랜 시간에 걸쳐 성장할 수 있습니다. 문제는 시간입니다. 우주의 나이가 아직 매우 어렸을 때 이미 엄청나게 거대한 블랙홀이 존재했다는 것이 문제입니다. 2. 우주는 생각보다 빨리 거대한 블랙홀을 만들었다 천문학자들이 아주...

우주 이야기 12편 블랙홀에서 뿜어져 나오는 거대한 제트 빛조차 빠져나올 수 없다는데, 에너지는 어떻게 우주로 솟아오르는가? 블랙홀 이야기를 하다 보면 늘 같은 생각을 하게 됩니다. “블랙홀은 모든 것을 집어삼키는 천체 아닌가?” 별도 끌어당깁니다. 가스도 끌어당깁니다. 빛조차 사건의 지평선 안에서는 빠져나올 수 없습니다. 그런데 이상합니다. 우주를 관측하다 보면 블랙홀 주변에서 엄청나게 강력한 에너지의 기둥이 우주 공간을 향해 뻗어나가는 모습을 발견할 수 있습니다. 바로 **제트(Jet)**입니다. 때로는 수천 광년을 넘어 그보다 훨씬 먼 거리까지 이어지는 거대한 제트. 대표적인 사례가 우리가 9편에서 만났던 M87 은하 중심의 블랙홀 입니다. 그렇다면 도대체 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀 주변에서 어떻게 이렇게 거대한 에너지의 제트가 만들어지는 것일까요? 오늘은 블랙홀의 또 다른 얼굴을 만나보겠습니다. 1. 블랙홀은 모든 것을 삼키기만 하는 것이 아니다 먼저 우리가 가지고 있던 블랙홀에 대한 생각부터 조금 바꿔야 합니다. 블랙홀 주변으로 들어온 물질이 전부 사건의 지평선 안으로 떨어지는 것은 아닙니다. 블랙홀 가까이 접근한 가스와 먼지는 엄청난 속도로 회전하면서 블랙홀 주변에 거대한 원반 형태의 구조를 만들 수 있습니다. 이것을 **강착원반(accretion disk)**이라고 합니다. 물질은 서로 충돌하고 마찰하면서 엄청나게 뜨거워집니다. 그래서 강착원반은 강력한 빛과 여러 파장의 전자기파를 방출할 수 있습니다. 그리고 이곳에서 오늘 이야기의 핵심인 강력한 자기장 이 중요한 역할을 합니다. 2. 강착원반은 우주의 거대한 회전판이다 상상해 봅시다. 가운데에는 블랙홀이 있습니다. 그 주변을 뜨거운 가스와 플라스마가 엄청난 속도로 회전합니다. 처음에는 그저 빙글빙글 도는 가스처럼 보입니다. 하지만 이 물질에는 전기를 띤 입자들이 존재합니다. 즉, 플라스마 입니다. 전하를 가진 입자가 움직이면 자기장과...

  우주 이야기 11편 블랙홀이 별을 만나는 순간 별은 블랙홀에게 어떻게 찢어지는가? 우리는 지금까지 블랙홀에 관한 이야기를 꽤 멀리까지 따라왔습니다. 별의 죽음에서 시작된 블랙홀. 시간을 멈추는 것처럼 보이는 강력한 중력. 빛조차 빠져나올 수 없는 사건의 지평선. 그리고 인류가 마침내 관측한 블랙홀의 그림자. 우리 은하 중심에 자리 잡은 400만 개 태양 질량의 궁수자리 A*까지. 그런데 아직 한 가지 이야기를 하지 않았습니다. 블랙홀이 살아 있는 별을 만난다면 어떻게 될까요? 별은 블랙홀 주변을 지나갈 수 있을까요? 아니면 블랙홀의 강력한 중력에 의해 산산이 찢어지고 말까요? 실제로 우주에서는 별 하나가 블랙홀에 너무 가까이 접근하면서 엄청난 사건이 벌어지는 것으로 알려져 있습니다. 이 현상을 조석력에 의한 별의 파괴 또는 Tidal Disruption Event, TDE 라고 부릅니다. 오늘은 우주에서 벌어지는 가장 극적인 만남 가운데 하나를 따라가 보겠습니다. 1. 평범하게 여행하던 별에게 무슨 일이 일어났을까? 어느 은하의 중심을 상상해 봅시다. 수많은 별이 움직이고 있습니다. 그 중심에는 태양보다 수백만 배 또는 수십억 배 무거운 초대질량 블랙홀이 자리하고 있습니다. 대부분의 별은 블랙홀과 충분히 떨어진 궤도를 따라 움직입니다. 그래서 별과 블랙홀은 서로 특별한 충돌 없이 공존할 수 있습니다. 하지만 아주 드물게 한 별의 궤도가 바뀔 수 있습니다. 다른 별과의 중력 상호작용, 은하 중심부의 복잡한 중력 환경, 또는 여러 천체의 장기간에 걸친 영향을 받아 별이 블랙홀 쪽으로 너무 가까이 접근하게 될 수 있습니다. 처음에는 아무 일도 일어나지 않는 것처럼 보입니다. 별은 계속 움직입니다. 하지만 블랙홀에 가까워질수록 상황은 완전히 달라집니다. 2. 블랙홀은 별의 양쪽을 똑같이 잡아당기지 않는다 여기에서 핵심적인 물리학이 등장합니다. 바로 **조석력(Tidal force)**입니다. 지구에서도 조석력을 경험할 수 있습니다. 달의 중력은 지구 전체에...

  우주 이야기 10편 우리 은하 한가운데에는 무엇이 있을까? 400만 개의 태양을 품은 블랙홀, 궁수자리 A*의 비밀 밤하늘을 올려다보면 수많은 별이 반짝입니다. 우리가 살고 있는 지구도, 태양도, 그리고 밤하늘을 가득 채우는 별들도 모두 하나의 거대한 은하 안에 있습니다. 바로 우리 은하, 은하수입니다. 그런데 이 거대한 은하의 중심에는 우리가 직접 볼 수 없는 아주 특별한 존재가 있습니다. 태양 질량의 약 400만 배에 달하는 거대한 블랙홀. 그 이름은 **궁수자리 A*(Sagittarius A*)**입니다. 줄여서 **Sgr A***라고 부릅니다. 그리고 놀랍게도 이 블랙홀은 약 2만 6천~2만 7천 광년 떨어진 우리 은하의 중심에 있습니다. 그렇다면 우리 은하의 중심에서는 도대체 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까요? 1. 우리 은하에도 블랙홀이 있다 먼저 상상해 보겠습니다. 우리가 살고 있는 은하수에는 수천억 개에 가까운 별들이 존재합니다. 별들은 아무렇게나 흩어져 있는 것이 아닙니다. 거대한 중력 구조 안에서 서로 영향을 주고받으며 움직입니다. 그리고 그 중심부에는 엄청나게 많은 별과 가스가 밀집해 있습니다. 바로 그 한가운데에 궁수자리 A*가 있습니다. 이 블랙홀의 질량은 태양 약 400만 개와 맞먹습니다. 하지만 이것만으로는 그 크기를 제대로 상상하기 어렵습니다. 태양 하나의 질량만 해도 지구와 비교하면 엄청나게 큽니다. 그런 태양이 약 400만 개. 그 정도의 질량이 하나의 초대질량 블랙홀에 집중되어 있는 것입니다. 2. 그런데 왜 우리는 이 블랙홀을 볼 수 없을까? 여기에서 이상한 점이 하나 있습니다. 우리 은하 중심에 400만 개의 태양만큼이나 무거운 물체가 있다면 왜 눈에 보이지 않을까요? 답은 간단합니다. 블랙홀 자체에서는 빛이 빠져나올 수 없기 때문입니다. 그렇다면 아무것도 관측할 수 없어야 할 것 같습니다. 하지만 실제로는 그렇...

우주 이야기 9편 인류는 어떻게 블랙홀을 촬영했을까? 빛조차 빠져나오지 않는 블랙홀의 그림자를 본 날 우리는 8편에서 아주 이상한 질문을 하나 던졌습니다. "블랙홀은 정말 영원히 존재할까?" 스티븐 호킹은 블랙홀도 에너지를 잃을 수 있다는 놀라운 가능성을 제시했습니다. 그리고 우리는 블랙홀의 증발과 정보 역설이라는 우주의 가장 깊은 수수께끼까지 살펴보았습니다. 그런데 여기에서 잠시 시간을 거꾸로 돌려보겠습니다. 우리가 블랙홀의 비밀을 이야기할 수 있게 된 것은 무엇보다 먼저 블랙홀이 실제로 존재한다는 것을 확인해야 했기 때문입니다. 그런데 문제가 있었습니다. 블랙홀은 빛을 내지 않습니다. 빛이 빠져나오지도 않습니다. 그렇다면 어떻게 사진을 찍을 수 있을까요? 2019년 4월 10일, 인류는 이 질문에 놀라운 답을 내놓았습니다. 전 세계 과학자들이 동시에 공개한 한 장의 이미지. 주황색 빛으로 둘러싸인 검은 원. 인류 최초로 공개된 블랙홀의 그림자 였습니다. 1. 그날 공개된 사진은 무엇이었을까? 2019년 4월 10일. 전 세계의 언론과 과학자들이 동시에 한 장의 사진을 공개했습니다. 사진 속에는 밝게 빛나는 주황색 고리가 있었고, 그 가운데에는 검은색의 어두운 영역이 있었습니다. 그곳은 우리 은하가 아니었습니다. 태양계도 아니었습니다. 지구에서 약 5,500만 광년 떨어진 M87 은하 의 중심이었습니다. 그리고 그 중심에는 태양 질량의 약 65억 배 에 달하는 초대질량 블랙홀이 존재합니다. 인류는 처음으로 블랙홀 주변의 사건의 지평선 규모를 직접 관측한 것입니다. 하지만 여기에서 아주 중요한 표현 하나를 기억해야 합니다. 우리가 본 것은 블랙홀 자체의 사진이 아닙니다. 정확하게 말하면 블랙홀의 그림자와 주변의 뜨거운 물질이 만들어낸 영상입니다. 2. 그런데 블랙홀은 빛을 내지 않는다면서? 바로 이 부분이 블랙홀 사진의 가장 재미있는 이야기...

 우주 이야기 8편 블랙홀도 결국 사라질까? 스티븐 호킹이 발견한 블랙홀의 마지막 비밀, 호킹 복사와 정보 역설 우리는 지금까지 블랙홀을 이야기하면서 한 가지 사실을 반복해서 배웠습니다. 블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는 천체다. 그래서 블랙홀은 언제나 무언가를 삼키기만 하는 존재처럼 느껴집니다. 별을 끌어당기고, 가스를 끌어모으고, 다른 블랙홀과 합쳐지면서 점점 더 거대한 존재가 됩니다. 그런데 아주 이상한 사실이 하나 있습니다. 블랙홀은 영원히 커지기만 하는 존재가 아닐지도 모릅니다. 오히려 아주 긴 시간이 지나면 조금씩 에너지를 잃고, 결국에는 사라질 수도 있습니다. 이 놀라운 가능성을 제시한 사람이 바로 우리가 잘 알고 있는 물리학자 스티븐 호킹입니다. 그리고 여기에서 블랙홀 역사상 가장 유명한 수수께끼가 시작됩니다. 1. 블랙홀은 정말 완전히 검은가? 먼저 아주 중요한 질문부터 시작해 보겠습니다. 블랙홀은 빛조차 빠져나오지 못한다는데, 어떻게 무언가를 방출할 수 있을까요? 여기서 우리가 흔히 사용하는 '블랙홀에서 입자가 튀어나온다'는 표현은 조심해서 이해해야 합니다. 호킹 복사는 블랙홀 안에서 무언가가 사건의 지평선을 뚫고 빠져나온다는 의미가 아닙니다. 블랙홀 주변의 양자장과 휘어진 시공간을 고려하면, 외부의 관측자에게 블랙홀이 열적 복사를 하는 것처럼 보일 수 있다는 것이 핵심입니다. 1970년대 스티븐 호킹은 블랙홀도 온도를 가지며, 그 결과 복사를 방출할 수 있다는 이론을 제시했습니다. 오늘날 이것을 **호킹 복사(Hawking radiation)**라고 부릅니다. 2. 블랙홀에도 '온도'가 있다 이 사실은 처음 들으면 상당히 이상합니다. 우리는 보통 온도를 뜨거운 물이나 불, 별과 같은 물체와 연결해서 생각합니다. 그런데 블랙홀에도 온도가 있습니다. 그리고 놀랍게도 블랙홀이 클수록 온도는 낮아집니다. 반대로 작은 블랙홀일수록 온도가 높습니다. 이것은 블랙홀의 질량과 호킹 복사의 관계에서 나오는 중요한 특징입니다. 즉...