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[신문은 선생님] [수학 산책] 블랙홀

    이광연 한서대 수학과 교수

    발행일 : 2022.05.19 / 특집 A29 면

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    17세기 과학자들이 개념 제시… 존재 증명은 수학자가 했어요

    최근 전 세계 과학자들이 태양계가 속해 있는 우리 은하 중심부에서 새로운 블랙홀의 모습을 관측하는 데 성공했어요. 2019년 최초로 블랙홀의 실제 모습을 관측한 이후 두 번째예요. 블랙홀은 모든 질량이 중심부에 모인 중력이 매우 강한 천체인데요. 20세기 초만 해도 과학자들이 "블랙홀은 수학적 이론의 산물"이라며 실재로 존재하지 않는다고 생각했다는 사실, 알고 있나요?

    17세기 말 영국 과학자 존 미셸은 '검은 별(dark star)'이라는 논문을 발표했어요. 이 논문은 1970년대 들어서야 발견됐는데, 역사상 처음 블랙홀 개념을 다뤘다고 평가받고 있어요. 그는 논문에서 빛이 알갱이들로 이뤄져 있다는 이론과 모든 물체는 서로 끌어당긴다는 중력 법칙을 적용해 빛 알갱이가 탈출할 수 없는 검은 별의 존재를 생각해냈어요.

    알베르트 아인슈타인(1879~1955)이 1915년 제시한 일반상대성이론에서는 조금 더 발전된 블랙홀의 개념이 등장해요. 그는 중력이 물체를 끌어당기는 현상을 시공간이 휘는 현상이라고 설명했고, 중력이 클수록 시공간이 휘어지는 정도가 심해진다고 설명했죠. 시공간이 심하게 휘어지면 빛조차 이곳에 갇히고, 빠져나올 수 없다는 거예요.

    얼마 지나지 않아 독일의 수학자이자 천체물리학자인 카를 슈바르츠실트가 수학적으로 블랙홀의 존재를 확인해냈는데요. 항성(별)의 질량을 좁은 영역에 집중시켜가다 보면 어떤 한계를 넘었을 때, 그 내부에서 빛조차 탈출할 수 없는 강력한 중력이 발생한다는 사실을 수학적으로 증명해 낸 거예요.

    하지만 당시까지만 해도 과학자들은 블랙홀이 실재할 수 없다고 생각했어요. 실험으로 알 수도 없었고, 관측조차 불가능한 '이론상으로만 가능한 존재'라고 여긴 거예요. 오히려 수학자들이 그 존재를 먼저 인정했죠. 그러다 20세기 중반 관측기구 등의 발전으로 아인슈타인이 제시한 상대성이론이 하나씩 실험과 관찰을 통해 들어맞는다는 사실이 증명되기 시작하면서, "블랙홀이 실제 존재할 수도 있겠다"는 생각이 퍼지기 시작한 거예요. 그리고 2019년 사상 최초로 블랙홀을 관측한 뒤, 슈바르츠실트가 증명한 이론이 맞는다는 사실이 확인됐죠. 이 이론은 지금까지도 인정받고 있답니다.

    그렇다면 블랙홀이 관측하기 어려운 이유는 무엇일까요. 빛도 빨아들이기 때문이에요. 블랙홀은 강력한 중력으로 모든 물질을 밑바닥 없는 연못처럼 빨아들여요. 그러고는 밖으로 그 물질을 내보내지 않죠. 빛의 반사가 있어야 우리가 사진을 찍어서 그 모습을 눈으로 확인할 수 있는데, 빛까지 못 빠져나오니 인간의 눈으로는 볼 수도 없어요. 그래서 블랙홀을 발견하는 것은 매우 어려운 일이랍니다.
    기고자 : 이광연 한서대 수학과 교수
    장르 : 고정물
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