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 그림자였습니다.

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 은하의 중심이었습니다.

그리고 그 중심에는

태양 질량의 약 65억 배에 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 이야기입니다.

블랙홀 자체에서는

빛이 빠져나올 수 없습니다.

그렇다면

사진에는 아무것도 없어야 할 것 같습니다.

하지만 블랙홀 주변에는

엄청난 양의 가스와 물질이 존재할 수 있습니다.

이 물질들은

블랙홀의 강력한 중력에 끌려

빠르게 회전합니다.

그리고 엄청나게 뜨거워집니다.

그 결과

강력한 전파와 빛을 방출합니다.

즉,

우리는

**블랙홀 자체를 보는 것이 아니라

블랙홀 주변에서 빛나는 물질을 보고 있는 것입니다.**

그 밝은 배경 앞에서

블랙홀이 만들어내는 어두운 영역이 나타납니다.

바로 이것이

블랙홀 그림자입니다.

3. 블랙홀의 그림자는 왜 생기는가?

여기에는

아인슈타인의 일반상대성이론이 등장합니다.

아인슈타인에 따르면

중력은 단순히 물체를 잡아당기는 힘만이 아닙니다.

질량이 큰 물체는

주변의 시공간을 휘게 만듭니다.

블랙홀처럼 엄청난 질량이

아주 작은 영역에 집중되어 있으면

그 효과는 극도로 강해집니다.

빛 역시

이 휘어진 시공간의 영향을 받습니다.

그래서 블랙홀 주변을 지나가는 빛의 경로가

휘어집니다.

일부 빛은

블랙홀 주위를 휘돌아 우리에게 도달할 수도 있고,

일부는 블랙홀에 붙잡혀

결국 빠져나오지 못합니다.

그 결과

밝게 빛나는 주변 물질 가운데

검은색의 둥근 영역이 나타납니다.

이것이

우리가 사진에서 본

그림자입니다.

4. 그렇다면 망원경 하나로 찍으면 되지 않을까?

여기서

두 번째 문제가 생깁니다.

블랙홀은 너무 멉니다.

아무리 거대한 블랙홀이라도

수천만 광년 떨어져 있다면

지구에서 보이는 크기는

상상을 초월할 정도로 작습니다.

그래서

일반적인 망원경 하나로는

그 모습을 구별할 수 없습니다.

과학자들은

아주 특별한 방법을 생각해냈습니다.

**망원경 하나를 엄청나게 크게 만드는 대신

전 세계의 망원경을 하나로 연결하자.**

그렇게 탄생한 것이

**사건의 지평선 망원경,

Event Horizon Telescope,

EHT**입니다.

5. 지구 전체를 하나의 망원경으로 만들다

EHT는

우주에 설치된 하나의 거대한 망원경이 아닙니다.

세계 곳곳에 있는

전파망원경들을 연결한

국제적인 관측망입니다.

2017년 당시

하와이,

멕시코,

미국 애리조나,

스페인,

칠레,

남극 등

세계 여러 지역의 전파망원경이

하나의 관측 시스템처럼 작동했습니다.

이 기술을

**초장거리 전파간섭계,

VLBI(Very Long Baseline Interferometry)**라고 합니다.

쉽게 설명하면

이렇습니다.

망원경 하나를

축구공만큼 크게 만드는 대신,

지구 곳곳에 망원경을 배치하고

그 데이터를 정밀하게 합치는 것입니다.

그러면

마치 지구만큼 거대한

하나의 가상 망원경을 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

말 그대로

지구가 하나의 망원경이 된 것입니다.

6. 그런데 무엇을 관측했을까?

EHT가 사용한 것은

일반적인 가시광선 망원경이 아닙니다.

전파를 관측했습니다.

특히

약 1.3mm 파장의 전파를 이용했습니다.

이 파장은

블랙홀 주변의 뜨거운 물질에서 나오는 신호를 관측하는 데 중요한 역할을 합니다.

그런데 또 하나의 문제가 있습니다.

전 세계의 망원경이

같은 순간에 같은 대상을 바라보아야 합니다.

그래야 서로 다른 장소에서 얻은 데이터를

정확하게 연결할 수 있습니다.

그래서

정밀한 시간 동기화가 필요합니다.

각 관측소는

원자시계 등을 이용해

관측 시간을 정밀하게 맞췄습니다.

그리고 엄청난 양의 데이터를 기록했습니다.

7. 하루에 데이터가 얼마나 쌓였을까?

이 부분은

정말 놀랍습니다.

2017년 관측 당시

각 EHT 망원경은

하루에 약 350TB에 달하는 데이터를 기록했습니다.

TB는 테라바이트입니다.

1TB는

약 1,000GB에 해당합니다.

그러니까

하루에 약 35만 GB 수준의 데이터가

쌓인 셈입니다.

그런데 이 데이터를

인터넷으로 보내면 되지 않을까요?

문제가 있습니다.

데이터가 너무 많았습니다.

그래서 데이터를 저장한 하드디스크를

직접 운반했습니다.

각 관측소에서 기록한 데이터는

전 세계의 데이터 처리 시설로 이동했습니다.

우리는 블랙홀 사진을 보면서

우주를 향한 첨단 기술만 생각하지만,

그 사진의 뒤에는

수많은 하드디스크를 운반하는

아주 현실적인 작업도 있었던 것입니다.

8. 데이터가 모인 곳에서 또 다른 일이 시작됐다

데이터가 모였다고

사진이 바로 나타난 것은 아닙니다.

오히려

진짜 어려운 작업은

그때부터 시작되었습니다.

세계 여러 지역의 망원경에서 얻은 데이터를

정밀하게 결합하고,

오차를 보정하고,

신호를 분석해야 했습니다.

이 작업에는

특수한 데이터 처리 장비인

**상관기(correlator)**가 사용됐습니다.

그리고 여러 연구팀이

서로 다른 이미지 재구성 방법을 사용해

결과를 검증했습니다.

중요한 것은

"컴퓨터가 마음대로 사진을 만들어냈다"

는 것이 아닙니다.

관측된 데이터를 바탕으로

물리적으로 가능한 이미지를 재구성하고,

서로 다른 방법으로 얻은 결과가

같은 구조를 보여주는지를 확인했습니다.

9. 그래서 주황색 고리가 나타났다

그리고 마침내

놀라운 구조가 나타났습니다.

둥근 형태의 밝은 고리.

그리고

그 가운데의 어두운 영역.

여러 독립적인 보정과 이미지 재구성 방법을 통해

이 고리 형태가 반복적으로 나타났습니다.

이것은

단순히 예쁜 우주 사진을 만든 것이 아니었습니다.

아인슈타인의 일반상대성이론이 예측한

강한 중력장 주변의 빛의 휘어짐과

블랙홀 그림자에 대한

중요한 관측적 증거가 된 것입니다.

10. 그런데 왜 사진이 완벽한 원이 아닐까?

사진을 자세히 보면

완벽한 도넛처럼 보이지 않습니다.

한쪽은 더 밝고,

한쪽은 상대적으로 어둡습니다.

왜 그럴까요?

블랙홀 주변의 가스가

엄청난 속도로 움직이고 있기 때문입니다.

우리에게 가까이 다가오는 쪽의 물질과

멀어지는 쪽의 물질은

상대론적 효과 때문에

서로 다른 밝기로 관측될 수 있습니다.

또한

가스의 분포,

자기장,

블랙홀의 회전,

빛의 휘어짐 등이

복잡하게 작용합니다.

그래서

블랙홀 그림자 주변의 빛은

완벽하게 균일한 고리가 아니라

밝고 어두운 부분이 있는

독특한 모습을 보여줍니다.

11. 이 사진이 왜 그렇게 중요한가?

2019년 이전에도

블랙홀이 존재한다는 강력한 증거는 많았습니다.

별의 움직임을 관측했습니다.

X선을 관측했습니다.

블랙홀 주변의 가스 움직임을 관측했습니다.

그리고 블랙홀끼리 충돌할 때 발생하는

중력파도 검출했습니다.

그런데 EHT가 보여준 것은

전혀 다른 종류의 증거였습니다.

**블랙홀 그림자 주변의 구조를

사건의 지평선 규모에서 직접 관측한 것입니다.**

그래서

블랙홀 연구의 역사는

2019년을 기준으로

새로운 시대에 들어갔다고 할 수 있습니다.

12. 그런데 한 장의 사진으로 끝난 것이 아니었다

여기에서

더 놀라운 이야기가 시작됩니다.

과학자들은

"우리는 이제 블랙홀 사진을 찍었다."

라고 끝내지 않았습니다.

오히려

더 어려운 질문을 던졌습니다.

"다른 블랙홀도 찍을 수 있을까?"

그리고

2022년.

마침내

우리 은하 중심으로 시선이 향합니다.

그곳에는

태양 질량 약 400만 배의

초대질량 블랙홀

**궁수자리 A***가 있습니다.

EHT는

2017년 관측 자료를 바탕으로

궁수자리 A*의 그림자를 재구성했고,

2022년 그 결과를 공개했습니다.

13. 그런데 궁수자리 A*는 M87보다 더 어려웠다

이상하지 않을까요?

M87은

우리에게서 약 5,500만 광년 떨어져 있습니다.

궁수자리 A*는

약 2만 6천 광년 정도 떨어져 있습니다.

훨씬 가까운데

왜 더 어려웠을까요?

이유가 있습니다.

궁수자리 A*는

M87의 블랙홀보다 훨씬 작습니다.

그리고 주변 물질의 변화가

매우 빠릅니다.

관측하는 동안에도

가스가 계속 움직이고

밝기가 변합니다.

즉,

사진을 찍으려고 하는 대상 자체가

계속 변하고 있는 것입니다.

EHT 연구진은

이러한 빠른 변화를 고려해

수많은 이미지와 여러 계산 방법을 비교했습니다.

14. 수천 장의 이미지를 하나로 합치다

궁수자리 A*의 이미지는

단순히 한 장의 사진을

컴퓨터로 만들어낸 것이 아닙니다.

EHT 연구진은

서로 다른 계산 방법으로 만들어진

수많은 이미지들을 분석했습니다.

그리고

관측 데이터에 잘 맞는 이미지들을

여러 그룹으로 분류했습니다.

그 결과

공통적으로 나타나는 특징을 찾아

대표 이미지를 만들었습니다.

즉,

우리가 보는 한 장의 사진 뒤에는

수많은 가능성을 비교하고

검증한 과학적 과정이 있었습니다.

15. '사진'이라고 부르는 것이 정확할까?

여기에서

아주 중요한 사실을 하나 기억해야 합니다.

EHT가 만든 이미지는

스마트폰 카메라로 찍은

일반적인 의미의 사진과는 다릅니다.

EHT 역시

첫 블랙홀 이미지를

고전적인 의미의 사진이라기보다는

전파 관측 데이터와 복잡한 계산을 통해 재구성한 영상이라고 설명합니다.

우리가 눈으로 보는

주황색과 검은색은

사람의 눈으로 실제 그 색을 본 것이 아닙니다.

전파 신호의 세기와 구조를

사람이 이해하기 쉬운 이미지로 표현한 것입니다.

그러니까

그 사진은

**우주의 모습을 그대로 찍은 한 장의 스냅사진이면서 동시에

엄청난 데이터와 물리학이 압축된 결과물**이라고 할 수 있습니다.

16. 한 장의 사진에 20년의 노력이 담겨 있었다

EHT의 성공은

2019년 어느 날 갑자기 만들어진 것이 아닙니다.

EHT는

수십 년에 걸친 기술 개발과

국제적인 협력의 결과였습니다.

망원경을 연결해야 했고,

시간을 정밀하게 맞춰야 했고,

데이터를 저장해야 했고,

엄청난 양의 데이터를 처리해야 했습니다.

새로운 소프트웨어도 필요했습니다.

그리고

이미지를 만드는 알고리즘을 개발하고

그 결과를 서로 독립적으로 검증해야 했습니다.

EHT는 첫 이미지가 만들어지기까지

20년 이상 발전해 왔다고 설명합니다.

한 장의 사진 뒤에

수많은 사람의 시간이 있었던 것입니다.

17. 아인슈타인의 이론을 다시 시험하다

블랙홀 그림자가 중요한 이유는

단순히

"블랙홀이 있다는 것을 보여줬다"

는 데 있지 않습니다.

블랙홀 주변의 빛이

어떻게 휘어지는지,

그림자의 크기와 형태가 어떠한지,

관측 결과가 일반상대성이론의 예측과 얼마나 일치하는지를

시험할 수 있기 때문입니다.

실제로 궁수자리 A*의 EHT 관측에서도

관측된 고리의 크기는

아인슈타인의 일반상대성이론에서 예상되는

블랙홀 그림자와 잘 맞는 것으로 나타났습니다.

100년 전에 만들어진 이론이

수만 광년 떨어진

블랙홀 주변에서 다시 시험되고 있는 것입니다.

18. 우리는 이제 '블랙홀을 보는 시대'에 들어섰다

생각해 보면

인류의 블랙홀 연구는

아주 먼 길을 돌아왔습니다.

처음에는

블랙홀이 실제로 존재하는지조차

확실하지 않았습니다.

그다음에는

주변 별과 가스의 움직임을 관측했습니다.

X선을 관측했습니다.

중력파를 검출했습니다.

그리고 마침내

블랙홀의 그림자를 보았습니다.

2019년

M87*.

2022년

궁수자리 A*.

이제 우리는

블랙홀을 단순히

수학적인 존재로 생각하는 것이 아니라

관측하고,

측정하고,

서로 비교할 수 있게 되었습니다.

19. 그런데 과학자들은 여기에서 멈추지 않는다

현재의 EHT 연구는

한 장의 사진을 얻는 것으로 끝나지 않습니다.

더 많은 망원경을 추가하고

더 높은 해상도와 더 나은 감도로

블랙홀 주변을 관측하려는 연구가 계속되고 있습니다.

차세대 EHT,

즉 ngEHT는

현재의 EHT보다 더 많은 관측 지점을 활용해

블랙홀 주변의 변화를 더욱 자세히 관측하는 것을 목표로 하고 있습니다.

언젠가는

우리가 지금 한 장의 정지 화면으로 보는 블랙홀 주변의 변화가

시간에 따라 움직이는 영상처럼

더 자세하게 표현될 가능성도 연구되고 있습니다.

그렇게 된다면

우리는

블랙홀 주변의 시공간이

실제로 어떻게 변화하는지

더 직접적으로 연구할 수 있을 것입니다.

20. 한 장의 검은 원이 바꾼 것

2019년 공개된 사진을

처음 보면

어쩌면 이렇게 생각할 수도 있습니다.

"그냥 검은 원 하나 아닌가?"

하지만 그 검은 원 하나에는

엄청난 이야기가 들어 있습니다.

수천만 광년 떨어진 은하.

태양 65억 개의 질량.

휘어진 시공간.

빛의 경로 변화.

뜨거운 가스.

전파망원경.

원자시계.

세계 각국의 과학자.

수백 테라바이트의 데이터.

그리고

아인슈타인의 이론.

이 모든 것이 모여

인류에게

한 장의 이미지를 선물했습니다.

21. 우리가 본 것은 '블랙홀'이 아니라 '우주가 남긴 흔적'이었다

블랙홀은

그 자체로는 보이지 않습니다.

하지만

그 주변의 빛이 휘어지고,

뜨거운 물질이 빛나고,

시공간이 뒤틀리고,

그 결과

어두운 그림자가 나타납니다.

우리는 그 그림자를 통해

블랙홀의 존재를 바라봅니다.

이것은

과학이 작동하는 방식과도 닮아 있습니다.

보이지 않는 것을

그냥 상상하는 것이 아니라,

**보이는 흔적을 통해

보이지 않는 존재를 밝혀내는 것.**

블랙홀은

그 원리를 가장 극적으로 보여주는 천체입니다.

우리의 우주 이야기 9편을 마치며

우리는 이제

블랙홀에 대해

조금 다른 시선을 갖게 되었습니다.

블랙홀은

"볼 수 없는 존재"가 아니라

**직접 보이지 않지만

그림자와 주변의 빛을 통해 관측할 수 있는 존재**입니다.

그리고 인류는

지구 곳곳에 흩어진 망원경을 하나로 연결해

수천만 광년 떨어진 블랙홀 주변을 바라보았습니다.

2019년,

M87의 블랙홀.

그리고 2022년,

우리 은하 중심의 궁수자리 A*.

우리는 이제

블랙홀을 바라보기 시작했습니다.

그런데

여기에서 더욱 흥미로운 질문이 생깁니다.

**우리 은하의 중심에 있는 블랙홀은

지금 무엇을 하고 있을까요?**

조용히 잠들어 있는 것일까요?

아니면

가끔 엄청난 에너지를 뿜어내고 있을까요?

그리고

그 주변에는 어떤 별들이

블랙홀의 강력한 중력에 이끌려 움직이고 있을까요?

다음 이야기

우주 이야기 10편

우리 은하 한가운데에는 무엇이 있을까?

태양 질량 약 400만 배.

우리 은하 중심에 자리 잡은

초대질량 블랙홀

궁수자리 A*.

우리는 이미

그 블랙홀의 그림자를 보았습니다.

하지만

그것이 전부가 아닙니다.

그 주변에서는

별들이 엄청난 속도로 움직이고,

가스가 끓어오르며,

강력한 X선 플레어가 발생합니다.

그리고 최근에는

블랙홀 주변의

강력한 자기장 구조까지 관측되고 있습니다.

과연

우리 은하의 중심에서는

무슨 일이 벌어지고 있을까요?

다음 편에서는

우리가 살고 있는 은하의 중심으로

직접 들어가 보겠습니다.

**우리 은하의 심장,

궁수자리 A*의 비밀이 시작됩니다.**

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