블랙홀 찾기 200년 역정···생명체 수수께끼 풀리나? < 기획 < 뉴스 < 기사본문 - 대덕넷

(왼쪽) 남아공전파천문대(SARAO)의 미어캣(MeerKAT) 전파간섭계로 촬영한 우리은하 중심의 궁수자리 A 지역 영상.(오른쪽) 같은 천체를 동아시아 VLBI 관측망 13mm(위)와 7mm(아래)로 관측한 영상. (a)와 (c)는 가스구름으로 인해 산란 효과를 겪어 동서 방향으로 긴 타원형 구조를 보이며, (b)와 (d)는 산란효과를 제거하여 궁수자리 A 블랙홀의 실제 구조가 원형에 가까움을 확인할 수 있다. [사진=천문연 제공]

18세기 말, 영국의 성직자이며 자연철학자였던 존 미첼(John Michell)은 "빛이 탈출하지 못하는, 거대한 '어두운 별'이 우주 곳곳에 있다"고 주장했다. 최초로 제시된 블랙홀의 개념이다. 그로부터 천체물리학자와 천문학자들은 블랙홀의 실체에 대해 무수한 의문을 품었으며, 연구에 연구를 거쳐 '이론적으로 존재한다'는 연구결과를 내놓는다. 실제로 블랙홀은 2019년 EHT(Event Horizon Telescope, 사건지평선망원경) 전파 망원경을 통해 처음으로 발견된다.

당시 국제 연구팀 성과엔 한국천문연구원도 참여했다. 우주의 비밀을 풀 수 있는 역사적 순간에 한국도 함께한 것이다. 이어 천문연은 22일 지구에서 가장 가까운 초대질량 블랙홀 '궁수자리 A(Sgr A*)'의 구조를 밝히는 데 성공했다. 초대질량 블랙홀이란 질량이 태양 질량의 수십만배에서 수십억배에 이르는 가장 큰 유형의 블랙홀이다. 

그간 우리은하 중심의 초대질량 블랙홀은 산란을 일으키는 전자구름이 가리고 있기에 잘 보이지 않았을뿐더러, 변화무쌍했기에 그 생김새를 파악하기가 어려웠다. 

천문연이 밝혀낸 이번 초대질량 블랙홀은 '원형'으로 알려졌다. 블랙홀 중력에 의해 주변 기체들이 회전하면서 끌려들어 갈 때 만들어지는 '부착원반'이 원형 모양이라는 의미다. 이는 블랙홀이 지구 쪽을 향해있다는 소리다. 지구를 등지고 있었다면 원반 모양이 원반이 아닌, 타원이나 얇은 띠처럼 보여야 하기 때문이다. 

이번 연구는 한국우주전파관측망(KVN)을 중심으로 한 동아시아 VLBI 관측망(EAVN)의 7mm와 13mm 파장대 관측을 통한 성과다. VLBI 관측망은 한국의 3기 망원경(서울 연세대, 울산대, 제주 서귀포 탐라전파천문대)을 포함해 총 21개의 전파망원경으로 구성돼 있는데 이번 연구는 한국, 일본, 중국이 소유한 총 10기 망원경으로 진행됐다. 
 

이번 관측에 참여한 동아시아 VLBI 관측망 소속 전파망원경. 총 10기이며 한국의 KVN(연세, 울산, 탐라), 일본의 VERA(미즈사와, 이리키, 오가사와라, 이시가키지마)와 히타치, 중국의 CVN(난샨, 티얀마)으로 구성돼 있다. [사진=천문연 제공]

제주도 서귀포시에 위치한 한국우주전파관측망(KVN) 탐라전파천문대 전파망원경. 그 밖에 국내엔 서울 연세대, 울산대에 각각 두고 있다. 현재 서울대 평창 캠퍼스에 4호기를 건설 중이다. [사진=대덕넷DB]

작동방식은 간단한다. 각 나라별 있는 전파망원경을 연결하는 VLBI (초장거리 전파간섭계) 기술을 사용해 망원경 사이의 거리만큼 큰 구경을 가진 가상의 망원경을 만들어 블랙홀을 찍는 것이다. 쉽게 말해 국내 3기의 망원경이 동시 작동할 경우 한반도만 한 크기의 망원경으로 우주를 볼 수 있다는 의미다.

손봉원 천문연 전파천문본부 책임연구원은 "궁수자리 A 블랙홀이 우리 태양계 쪽을 가리키고 있다는 기하학적 구조를 알게 됐으니, 앞으로 연구에 사용할 수 있는 변수의 폭이 좁아졌다"며 "우리은하 중심 초대형 블랙홀에 대해서도 사건지평선 수준의 관측에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것"이라고 말했다. 

◆ 블랙홀 연구, 왜 필요한가

최근 초대질량 블랙홀과 은하의 상관관계가 밝혀졌다. 과거엔 몇몇 은하 중심에만 블랙홀이 있다고 여겨져 왔지만 알고 보니 모든 은하 중심엔 블랙홀이 있으며, 나아가 초대질량 블랙홀을 알면 은하의 질량을, 반대로 은하의 질량을 알면 초대질량 블랙홀의 질량을 알 수 있을 만큼 둘 사이의 관계성이 입증된 것이다. 하지만 그 이유에 대해선 아직까지 밝혀진 바 없다.

'그렇다면 은하가 있으면 초대질량 블랙홀도 당연히 있는 걸까.' 이 문제는 아직까지 미스터리로 남아있다. 손 책임연구원에 의하면 초대질량 블랙홀은 우주 초기에도 존재했다. 다만 당시 은하의 존재는 불확실성으로 남아있다. 닭이 먼저인지, 계란이 먼저인지에 대한 연구는 현재까지도 진행 중이란 의미다. 

이 같은 블랙홀 존재 규명이 중요한 이유는 뭘까. 손 책임연구원은 생명의 탄생과도 관련이 있을 수 있다고 암시한다. 그는 "블랙홀이 은하와 함께 공진화했다면 천문학적 진화 외에도 생명학적 분자 등이 만들어지는 과정에도 블랙홀이 중요한 역할 했을 수도 있다는 뜻"이라며 "블랙홀과 은화의 진화 과정을 알면 생명 기원에 대한 답도 찾을 수 있을 거라 예상한다"고 조심스레 말했다.
 

2020년 블랙홀 규명을 업적으로 노벨물리학상을 받은 앤드리아 게즈 캘리포니아대 교수는 지난 20일 AAAS 통해 "블랙홀 연구는 인류 역사에 필연적"이라고 말했다. [사진=AAAS 화면 갈무리]

2020년 블랙홀 규명을 업적으로 노벨물리학상을 받은 앤드리아 게즈 캘리포니아대 교수도 지난 20일(현지시간) 세계 최대 규모 과학 학술행사인 미국과학진흥협회(AAAS) 연차총회에 등장, 우주분야 연구의 중요성을 상기시켰다. 그는 여성 과학자 중 네 번째로, 여성 천문학자로서는 최초로 노벨물리학상을 받은 인물이기도 하다.  

게즈 교수는 1994년 24명의 팀원들과 함께 초대질량 블랙홀 주위를 도는 별이 아인슈타인의 일반상대성 이론이 말한 그대로 궤도를 그리고 있는 사실을 망원경으로 입증했다. 우리은하 중심에 엄청나게 무거운 별이 존재한다는 사실을 처음으로 밝혀낸 성과로, 이는 곧 초대질량 블랙홀의 존재를 설명한 셈이다.

그는 "블랙홀의 질량이 우리은하의 중심 구성 요소 질량과 관련 있다는 것을 밝혀냈었다"며 "일반상대성 이론이 실제로 초대질량 블랙홀의 존재를 예측했다는 사실을 증명했다"고 말했다.

블랙홀에 대한 연구는 끝나지 않았으며, 앞으로도 계속될 것이라는 게 그의 견해다. 인류 역사에 있어서 우주에 대한 이해는 필연적이라는 이유에서다. 게즈 교수는 "우리는 초질량 블랙홀들이 은하의 형성과 진화에 어떤 영향을 미쳤는지 알아야 할 의무가 있다"며 "천문학, 물리학과 같은 우주분야 연구가 중요한 이유"라고 말했다. 

◆ 국민 10명 9명 "우주 발전 곧 국가 발전" 
 

우리나라 국민 10명 중 9명이 우주 분야가 국가발전에 중요하다고 인식하고 있는 것으로 나타났다. [사진=SPREC 월간 리포트]

우리나라 국민 10명 중 9명이 우주 분야가 국가발전에 중요하다고 인식하고 있는 것으로 나타났다. 또한 이들 중 83.9%는 우주 개발 예산을 늘려야 한다고 평가했으며, 미래엔 우주 자원 채굴 분야가 가장 중요하다는 의견을 보였다.

국가우주정책연구센터(센터장 조황희)은 지난 16일 발간한 'SPREC 월간 리포트'를 통해 이 같은 설문조사 결과를 공개했다. 설문은 전국에 거주하는 만 16세 이상 69세 이하 국민 1000명을 대상으로 지난해 12월 10일부터 7일간 진행됐다. 
 
설문에 응한 국민의 95.1%는 평소 우주 분야에 보통 이상의 관심을 지니고 있다고 응답했다. 이들은 그 이유로 산업 발전 및 국가 경제에 기여(45.2%), 인류 지식확장에 기여(18.9%)를 차례대로 꼽았으며, 모든 연령층이 우주가 미래 국가 발전에 있어 중요하다는데 89.6%(매우 중요 45.6%, 중요 44%) 동의했다. 

국민들이 가장 관심 있어하는 우주 분야로는 10대를 제외한 모든 연령층에서 누리호와 같은 발사체로 나타났다. 10대의 경우 우주과학∙천문학을 꼽았다. 
 
이들은 통신위성 개발이 가장 필요(매우 필요 54.7%, 필요 38.1%)하다고 응답했다. 기상위성, 항법위성, 달∙화성에서의 과학적 연구, 달∙화성에서의 유인 우주활동이 뒤를 이었다. 

우주개발 예산에 있어서도 증대해야 한다는 의견이 모든 연령층에서 압도적으로 높게(크게 증대 35.1%, 조금 증대 46.8%) 나왔다. 이들은 미래 발전을 위해 가장 시급한 우주정책 분야로 지구관측∙통신 항법∙기상∙환경 관련 위성 개발(33.6%)을 꼽았다.

 특히 국민들이 우주 자원 채굴 분야의 중요성을 인식하고 있는 것으로 조사됐다. 미래 우주분야 중 중요성이 커질 것으로 예상되는 질문에 가장 많은 참여자들이 우주 자원 채굴을 택했으며(24%), 이는 20대를 제외한 모든 연령층에서 다른 분야를 오차범위 밖으로 따돌린 수준이다. 

문홍규 한국천문연구원 박사는 "이제 한국도 민간 우주자원 개발과 활용에 관해 의회 차원에서의 법제화를 고려할만한 시점이 된 것 같다"고 말했다. 

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