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2020년 노벨 물리학상은 블랙홀이 있다는 사실을 증명한 세 명의 과학자에게 돌아갔어요. 먼저 블랙홀의 존재를 이론적으로 증명한 로저 펜로즈부터 살펴볼까요?

“블랙홀처럼 이상한 게 있을 리가!” 논쟁에 종지부를 찍다

로저 펜로즈는 1965년 일반 상대성이론이 맞다면 우주에 블랙홀이 있을 거라는 결과를 수학 계산으로 도출했어요. ‘블랙홀’은 중력이 너무 커서 가까이 가면 빛조차 빠져나가지 못하는 천체를 말해요. 이 때문에 블랙홀은 우주의 텅 빈 구멍처럼 보이지요. 1960년대 중반까지만 해도 블랙홀이 실제로 있을지를 두고 의견이 분분했으나, 펜로즈의 증명으로 천문학자들은 우주에서 블랙홀을 찾아내겠다고 결심했어요.

일반 상대성이론은 독일 출신의 미국 물리학자 알베르트 아인슈타인이 1915년 발표한 것으로, ‘중력’을 시간과 공간이 휘어진 상태로 설명해요. 물체는 질량이 클수록 주변 시간과 공간을 많이 휘게 해 근처의 물질을 끌어당겨요. 마치 무거운 어른과 함께 트램펄린을 타면 면이 휘어, 움푹 파인 곡면을 따라 어린이가 끌려들어가는 것처럼요.

1916년 독일 물리학자 카를 슈바르츠실트는 일반 상대성이론 방정식에서 별이 특정 조건을 만족하면 훗날 ‘블랙홀’이라 불리게 될 천체가 된다는 결과를 이끌어냈어요. 별이 핵융합 재료를 다 쓰면 내부 물질이 서로를 잡아당기는 중력 탓에 별이 수축돼요. 별의 반지름이 충분히 줄어들면, 훗날 ‘사건 지평선’이라 불릴 둘레 안에서는 중력이 커서 빛조차 빠져나가지 못해요. 바로 ‘블랙홀’이 된 거지요.
아인슈타인은 블랙홀이 계산 결과일 뿐, 실제 우주에는 없다고 주장했어요. 슈바르츠실트는 회전하지 않고 이상적인 공 모양의 별을 가정했거든요. 실제 별은 그렇지 않으니 중력의 방향이 제각각이라, 수축하다가 돌연 팽창할 수도 있지 않을까요?

수십 년이 지나 이 논쟁을 해결한 사람이 펜로즈예요. 펜로즈는 완벽한 공 모양이 아니어도 별의 반지름이 특정한 길이보다 작아지면 ‘특이점’이 생긴다는 걸 증명했어요. ‘특이점’이란 별의 내부 물질이 중력 탓에 점점 가까워지다 모든 물질이 모이는 하나의 점을 말해요. 무거운 별이 작은 한 점에 모이면 물질을 잡아당기는 중력이 어마어마해져요. 그래서 특이점에 가까이, 정확히는 사건 지평선 안으로 들어서는 순간 빛조차 특이점으로 빨려 들어가 다시는 나오지 못하지요. 블랙홀을 이루는 질량은 모두 하나의 점에 모인 거예요.

특이점은 물리학의 골칫거리가 됐어요. 부피가 0이기 때문에 밀도는 무한으로 커져요. 또 상대성이론에 따라 시공간도 무한히 휘며 시간이 더이상 흐르지 않아, 지금까지 알려진 물리법칙이 적용될 수 없어요. 물리학자들도 블랙홀 내부가 어떤지 여전히 모르는 이유지요. 한국기술정보연구원 강궁원 책임연구원은 “특이점이 있다는 건 이 근처에서는 일반 상대성이론이 틀렸다는 뜻”이라며, “특이점을 이해할 새로운 중력 이론이 필요하다”고 말했답니다.