[2020 노벨물리학상] 펜로즈, 겐첼, 게즈 : 우주에서 가장 어두운 비밀, '블랙홀'을 증명하다

 

 

 

📜 들어가며: 아인슈타인도 부정했던 '우주의 괴물'

 

20세기 초, 알베르트 아인슈타인 [1921년 수상]의 '일반 상대성 이론'은 우주를 보는 우리의 관점을 송두리째 뒤집었습니다. 질량이 시공간을 휘게 한다는 이 위대한 이론은, 하나의 끔찍한 '괴물'을 수학 방정식 속에 숨겨두고 있었습니다.

만약 별이 극도로 무겁다면, 그 별은 자신의 중력을 이기지 못하고 무한히 붕괴하여, 빛조차 탈출할 수 없는 시공간의 '구멍'을 만들 것이라는 예측이었습니다.

하지만 아인슈타인 자신조차 이 '괴물'을 믿지 않았습니다. 그는 "자연은 그런 터무니없는 특이점[Singularity]이 생기는 것을 허용하지 않을 것"이라며, 이것이 단지 '수학적 허구'일 뿐이라고 일축했습니다.

수십 년간, 블랙홀 [Black Hole]은 물리학의 골칫덩어리이자 SF 소설의 단골 소재일 뿐, '실재'하는 천체로 인정받지 못했습니다.

2020년 노벨 물리학상은, 이 100년 묵은 논쟁에 종지부를 찍고, 아인슈타인의 이론이 '정말로' 블랙홀을 예언함을 수학적으로 증명해낸 '이론가'와, 우리 은하 중심에서 '실제로' 꿈틀대고 있는 '초거대 블랙홀'의 존재를 관측으로 증명해낸 두 명의 '관측가'에게 수여되었습니다.

그들의 이름은 로저 펜로즈 [Roger Penrose], 라인하르트 겐첼 [Reinhard Genzel], 그리고 안드레아 게즈 [Andrea Ghez]입니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "블랙홀, 이론과 관측으로 증명되다"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2020년, 이 세 명의 공로를 인정하여 노벨상을 수여했습니다. 이 상은 '블랙홀'이라는 하나의 주제를 '이론'과 '관측'이라는 두 개의 날개로 완성시킨 공로에 대한 찬사였습니다.

상의 절반 [1/2]은 로저 펜로즈 [Roger Penrose]에게 수여되었습니다.

"블랙홀의 형성이 일반 상대성 이론의 강력한 예측임을 발견한 공로를 기리며"

상의 나머지 절반 [1/2]은 라인하르트 겐첼 [Reinhard Genzel]과 안드레아 게즈 [Andrea Ghez]에게 공동 수여되었습니다.

"우리 은하의 중심부에 '초거대 질량의 밀집 천체' [Supermassive Compact Object]가 존재함을 발견한 공로를 기리며"

이 수상은 완벽한 조화를 이룹니다.

• 로저 펜로즈 [이론가]: 1965년, 아인슈타인의 '회의론'을 정면으로 반박했습니다. 그는 '일반 상대성 이론'의 방정식 자체가, '이상적'인 상황이 아닌 '현실적'인 상황에서도 블랙홀이 '필연적으로' 형성될 수밖에 없음을 수학적으로 증명했습니다.
• 겐첼과 게즈 [관측가]: 1990년대부터 20년간, 각자의 연구팀을 이끌고 인류가 보유한 가장 강력한 망원경을 이용해, 우리 은하[Milky Way]의 중심부에 태양 질량 400만 배의 '초거대 블랙홀'이 '실제로' 존재한다는 것을 관측으로 증명했습니다.

펜로즈가 "블랙홀은 가능하다"고 선언했다면, 겐첼과 게즈는 "블랙홀은 저기 있다"고 손가락으로 가리킨 것입니다.

 

🧠 [절반의 공로] 로저 펜로즈: '특이점'을 증명한 수학자

 

1960년대 초, 블랙홀은 여전히 '가설'이었습니다. 물리학자들은 "완벽한 구형의 별이 붕괴할 때만" 블랙홀이 생길 것이며, 현실의 별들은 '울퉁불퉁'하기 때문에 붕괴 도중 흩어져 버릴 것이라고 생각했습니다. [아인슈타인의 생각과 같았습니다.]

1965년의 위대한 증명: '특이점 정리'

영국의 수학 물리학자 로저 펜로즈는 이 문제를 풀기 위해, '위상수학' [Topology]이라는 새로운 수학적 도구를 일반 상대성 이론에 도입했습니다.

그는 1965년, '블랙홀의 세부 사항'이 아니라 '전체적인 구조'에 집중했습니다. 그는 '갇힌 표면' [Trapped Surface]이라는 천재적인 개념을 고안했습니다.

'갇힌 표면'이란, 어떤 가상의 표면을 지나는 빛이 '밖으로' 향하든 '안으로' 향하든, 그 강력한 중력 때문에 모든 빛의 경로는 오직 '안쪽'으로만 휘어지는, 되돌아올 수 없는 지점을 의미합니다.

펜로즈는 "일단 이 '갇힌 표면'이 한 번 형성되면, 중력 붕괴는 그 무엇으로도 멈출 수 없으며, 시공간의 모든 경로가 '한 점'으로 수렴하는 특이점 [Singularity, 밀도와 곡률이 무한대가 되는 지점]의 형성은 필연적이다"라는 것을 수학적으로 엄밀하게 증명했습니다.

이것이 특이점 정리 [Singularity Theorem]입니다.

그의 증명은, 별이 '완벽한 구형'이 아니더라도, '충분히 무겁다면' 블랙홀이 되는 것을 피할 수 없다는 것을 의미했습니다. 아인슈타인이 부정했던 '괴물'은, 바로 아인슈타인의 이론 그 자체에 의해 '필연적'으로 존재해야 했습니다. [펜로즈는 이 공로를 故 스티븐 호킹과 함께 나누었습니다.]

 

🔭 [절반의 공로] 겐첼 & 게즈: 우리 은하 중심의 '괴물'을 찾아서

 

펜로즈가 '블랙홀이 존재해야 한다'고 증명했다면, 라인하르트 겐첼과 안드레아 게즈는 "우리 은하의 중심에 그 블랙홀이 '있다'"는 것을 증명해야 했습니다.

궁수자리 A* [Sagittarius A*]라는 이름의 용의 굴

1970년대, 천문학자들은 우리 은하의 중심[궁수자리 방향]에서 강력한 '전파' 신호가 나오는 궁수자리 A* [Sgr A*]라는 천체를 발견했습니다. 이곳이 바로 '초거대 질량 블랙홀'의 가장 유력한 용의자였습니다.

문제는 '어떻게' 증명하느냐였습니다. 블랙홀 자체는 '어둡기' 때문에 볼 수 없습니다.

유일한 방법은 17세기 '케플러의 법칙'을 이용하는 것이었습니다. 태양 주위를 도는 '지구'의 궤도를 알면 '태양'의 질량을 알 수 있듯이, '궁수자리 A*' 주위를 도는 '별'들의 궤도를 추적하면, 그 중심에 있는 '보이지 않는 무언가'의 질량을 계산할 수 있습니다.

'불가능한' 관측에 도전하다

이것은 인류 역사상 가장 어려운 관측이었습니다.

1. [먼지] 은하 중심부는 수천 광년에 달하는 두꺼운 '우주 먼지' 구름에 가려져, '가시광선'으로는 아무것도 볼 수 없습니다.
2. [대기] '적외선' [Infrared]을 이용해 먼지를 뚫어야 했습니다. 하지만 지상의 적외선 망원경은 지구 '대기'의 '흔들림' 때문에, 모든 별빛이 '흐릿한' 점으로 뭉개져 보였습니다. [은하 중심부의 빽빽한 별들을 구별할 수 없었습니다.]

겐첼과 게즈는 1990년대 초, 이 '대기의 벽'을 넘기 위해 '두 개의 서로 다른' 거대 망원경 팀을 이끌었습니다.

• 라인하르트 겐첼 [독일]: 유럽 남방 천문대 [ESO] 소속으로, 칠레에 있는 VLT [Very Large Telescope] 망원경 팀을 이끌었습니다.
• 안드레아 게즈 [미국]: UCLA 소속으로, 하와이에 있는 켁 망원경 [Keck Observatory] 팀을 이끌었습니다.

그들은 이 망원경에 적응 광학 [Adaptive Optics]이라는 최첨단 기술을 적용했습니다. 이는 대기의 흔들림을 레이저로 실시간 측정하여, 망원경의 '거울' 형태를 1초에 수백 번씩 '변형'시켜, '흐릿한' 별빛을 '선명한' 바늘 끝점으로 바꾸는 마법 같은 기술이었습니다.

 

✨ 20년의 추적, 별들의 왈츠

 

두 팀은 1990년대 중반부터 20년 넘게, 은하 중심부의 별들을 추적했습니다. 그리고 그들은 'S2' [혹은 겐첼 팀에서는 S0-2]라는 이름의 한 별에 주목했습니다.

그들의 관측 데이터가 쌓이면서, S2의 '궤도'가 드러났습니다. 결과는 경이로웠습니다.

S2는 '궁수자리 A*'라는 '보이지 않는 점'을 중심으로, 단 16년 만에 한 바퀴를 도는 '타원 궤도'를 그리고 있었습니다. 이 별이 중심점에 가장 가까워질 때[근점], 그 속도는 무려 시속 8천만 킬로미터 [빛의 속도의 7%]에 달했습니다.

케플러의 법칙에 따라 이 궤도를 계산한 두 팀의 결론은 동일했습니다. "저 '보이지 않는' 중심점에는, 태양 질량의 약 400만 배에 달하는 질량이, '우리 태양계'보다도 더 좁은 영역 안에 뭉쳐있다."

400만 개의 태양이 그 좁은 공간에 뭉쳐있는데, '아무 빛도 내지 않는다'. 이것이 '블랙홀'이 아니라면, 그 어떤 물리 법칙으로도 설명할 수 없었습니다.

겐첼과 게즈는 20년에 걸친 집념으로 '초거대 질량 블랙홀' [Supermassive Black Hole]이 SF 소설이 아닌, '실재'하는 천체임을 증명했습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

펜로즈: '괴짜' 천재와 아인슈타인의 연결고리

로저 펜로즈는 물리학계의 대표적인 '괴짜 천재'입니다. 그는 훗날 '펜로즈 타일링' [Penrose Tiling, 반복되지 않는 무한한 패턴]이라는 수학적 발견으로도 유명합니다. 그는 1965년 '특이점 정리'를 완성한 뒤, 스티븐 호킹과 함께 이 이론을 '빅뱅'의 시작점으로 확장시켜 '펜로즈-호킹 특이점 정리'를 완성했습니다. 스티븐 호킹이 살아있었다면, 2020년 노벨상은 이 두 사람이 함께 받았을 것이라는 것이 학계의 정설입니다.

겐첼 vs 게즈: 정중한 라이벌

겐첼[독일]의 유럽 팀과 게즈[미국]의 UCLA 팀은 20년간 '같은 목표'를 두고 경쟁한 '라이벌'이었습니다. 그들은 서로 다른 망원경, 다른 기술을 사용했지만, 서로의 데이터를 교차 검증하며 '선의의 경쟁'을 펼쳤습니다. 노벨 위원회는 이 위대한 발견이 두 팀 모두의 공로임을 인정했습니다.

안드레아 게즈: 네 번째 여성 물리학상 수상자

안드레아 게즈의 수상은 역사적이었습니다. 그녀는 1903년 마리 퀴리, 1963년 마리아 괴퍼트 마이어, 2018년 도나 스트릭런드에 이어, 노벨 물리학상 120년 역사상 네 번째 여성 수상자가 되었습니다.

 

✍️ 나가며: 어둠의 심연을 밝히다

 

2020년 노벨 물리학상은 아인슈타인이 남긴 '가장 어두운 유산'을 인류가 마침내 이해하게 되었음을 선포한 상이었습니다.

로저 펜로즈는 '블랙홀'이 수학적 허구가 아니라, 아인슈타인의 이론이 '필연적으로' 낳는 '숙명'임을 증명했습니다.

라인하르트 겐첼과 안드레아 게즈는 그 '숙명'의 존재가, 바로 우리 은하의 심장부에서 거대한 중력의 왈츠를 지휘하고 있음을 '관측'으로 증명했습니다.

이론과 관측이 100년의 시차를 두고 만나, '블랙홀'이라는 우주의 가장 거대하고 신비로운 천체의 존재를 확고한 '과학의 사실'로 확립한 것입니다.