블랙홀 강의

우종학 지음

김영사 2019년 07월 16일 출간 종이책 : 2019년 07월 10일 출간

작품소개

책소개

블랙홀의 정체, 기원, 특성에서 블랙홀 연구의 최전선까지 빠져드는 블랙홀 이야기!

은하와 중심 블랙홀의 연결고리 연구의 세계적인 권위자
서울대 우종학 교수가 들려주는 경이롭고 매혹적인 블랙홀의 세계

블랙홀의 정체는 무엇인가? 100년 넘게 외면받던 ‘검은 별’이라는 기이한 아이디어는 어떻게 현대 천체물리학의 주인공이 되었는가? 은하중심 거대질량 블랙홀의 기원은? 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 어떻게 1,000억 개의 별빛보다 밝은 빛을 뿜어낼 수 있는가? 블랙홀이라는 아이디어의 탄생과 발견의 역사에서 블랙홀의 특성, 블랙홀과 은하의 공동 진화, 블랙홀을 통한 시간 여행, 중력파, ‘블랙홀 그림자’ 사진에 대한 친절한 해설까지. 최전선에서 블랙홀 연구를 주도하고 있는 연구자에게 듣는, 쉽고 재미있는 블랙홀 이야기.

목차

머리말

1. 블랙홀의 무대, 우주로 떠나는 여행
우주가 끝없이 우리를 부른다
우주 공간에서 블랙홀과 마주친다면?
과학자의 길, 블랙홀로 가는 여정

2. 블랙홀의 정체를 밝혀라
중력을 탐하다
블랙홀 제조법
블랙홀, 이 땅의 빛을 보다
검은 별을 찾아라

3. 블랙홀의 부활
블랙홀, 되살아나다
일반상대성이론, 블랙홀을 출산하다
블랙홀, 다시 외면받다

4. 블랙홀 일문일답
블랙홀은 진공청소기?
블랙홀로 빨려 들어가는 현상을 볼 수 있을까?
블랙홀은 지구에 위협이 될까?
블랙홀은 언제 배가 부를까?
블랙홀을 통한 시간여행이 가능할까?

5. 우주에서 미지의 대상을 만나다
정체 모를 괴물, 퀘이사를 발견하다
퀘이사의 정체를 밝혀라
은하 중심의 블랙홀, 활동성 은하핵
은하 중심에 괴물이 있다
퀘이사의 엔진, 블랙홀

6. 블랙홀의 집, 은하의 세계
아름다운 너의 이름, 은하
우리은하 중심의 거대질량 블랙홀
모든 은하가 블랙홀을 소유한다
블랙홀의 그림자를 목격하다

7. 블랙홀의 기원
별, 그 긴 일생을 시작하다
별의 죽음, 블랙홀 탄생의 길을 열다
무거운 별의 최후
중성자별의 발견, 블랙홀 이름을 낳다
블랙홀의 다이어트
거대한 가스 구름, 중간질량 블랙홀을 만들어라

8. 실험이 불가능한 우주를 탐구하는 법
우주동물원에서 실험은 불가능하다
빛의 도레미파솔라시도, 감마선에서 전파까지
광학망원경, 갈릴레오에서 21세기까지
천문학자들의 눈, 다파장 관측시설

찾아보기

책 속으로

만일 지구의 크기를 무지막지하게 작게 만들면 어떻게 될까요? 가령 지구 반지름이 1센티미터가 되도록 줄여봅시다. 이렇게 작아진 지구라면 로켓이 빛의 속도로 날아간다고 하더라도 지구를 탈출하기는 불가능합니다. 왜냐하면 반지름 1센티미터의 지구 표면에서 받는 중력은 상상을 초월하게 커져버리고 탈출속도를 계산해보면 빛의 속도보다 크게 되기 때문입니다. 결국, 지구는 빛조차 탈출할 수 없는 괴물, 블랙홀이 되고 맙니다. _56쪽

상상력은 과학 발전에 매우 중요한 힘이 됩니다. 기발한 상상력을 통해서 예측된 이론이 실제 실험이나 관측을 통해서 입증되는가 하면 우연히 발견된 새로운 현상이 탁 튀는 상상력을 통해 이론적으로 설명되기도 하지요. 블랙홀의 경우도 상상력이 발견을 앞선 경우입니다. 과학을 통해서 우리가 배워야 할 것은 단순한 과학지식이 아니라 그 과학지식을 가능하게 한 위대한 과학자들의 상상력입니다. _71쪽

아인슈타인의 일반상대성이론을 바탕으로 슈바르츠실트가 130년 만에 부활시킨 블랙홀은 다시 한 번 과학자들에게 외면당하고 맙니다. 우주의 괴물 같은 존재인 블랙홀을 과학자들은 탐탁지 않게 여겼습니다. 심지어는 일반상대성이론의 주창자인 아인슈타인마저도 슈바르츠실트의 특이점은 존재하지 않는다는 엉뚱한 주장을 합니다. 아인슈타인은 1939년에 논문을 발표하면서 자신의 연구가 왜 슈바르츠실트의 특이점이 실제로 우주에는 존재하지 않는지를 보여준다고 기술했습니다. 자신의 일반상대성이론의 양분을 받아 탄생한 블랙홀의 실재를 정면으로 외면한 것이죠. _102-103쪽

태양이 갑자기 블랙홀이 된다고 가정해볼까요? 블랙홀 제조법에서 배운 대로 태양을 블랙홀로 만들어봅시다. 태양의 지름은 70만 킬로미터 정도입니다. 대략 지구의 100배나 됩니다. 이런 태양을 그대로 축소시켜서 반지름 3킬로미터 정도로 작게 만들면 됩니다. 즉, 반지름이 3킬로미터밖에 안 되는 공간에 현재의 태양을 구겨 넣는다면, 밀도와 중력이 너무 커지기 때문에 태양은 블랙홀이 되어버립니다. 물론 태양은 반지름 3킬로미터짜리 구의 형태로 남아 있지 않고 안으로 무너져서 무한대로 작은 공간을 차지하고 무한대의 밀도를 갖는 블랙홀이 됩니다. 이렇게 태양이 블랙홀로 변한다면 지구는 어떤 영향을 받게 될까요?
지구가 태양블랙홀에 빨려 들어갈까 봐 걱정하는 분들도 종종 있습니다만, 그렇지 않습니다. 지구는 지금과 똑같이 일 년에 한 번씩 블랙홀로 변해버린 태양 주위를 공전합니다. 왜냐하면 이 블랙홀에 빨려 들어가기에는 지구는 너무나 멀리 떨어져 있기 때문이지요. 3킬로미터 정도의 슈바르츠실트 반지름 근처까지 다가가지 않는다면 지구에는 별 영향이 없습니다. 질량이 같다면, 태양이 블랙홀이 되든지 아니면 그대로 태양으로 남아 있든지 상관없이 지구는 1억 5,000만 킬로미터의 거리에서 똑같이 공전운동을 할 것입니다. _120쪽

이 문제를 해결하겠다고 도전장을 던진 천문학자가 바로 호주의 시드니 대학에 근무하던 시릴 해저드 박사였습니다. 그는 전파가 오는 방향에 위치한 많은 별들과 은하들 중에서 실제로 전파를 내는 대상이 어느 것인지를 구별해낼 수 있는 기발한 아이디어를 제안했습니다. 해저드의 아이디어는 전파가 오는 방향으로 달이 지나가는 월식을 이용하자는 제안이었습니다. 달이 전파원 앞을 지나가는 과정을 죽 지켜본다면 어느 순간 달이 전파원을 가리게 될 것입니다. 그러면 전파 신호가 끊기겠지요. 그리고 조금 시간이 지나서 달이 움직여 전파원을 더 이상 가리지 않게 되면 그때 다시 전파 신호가 잡히기 시작할 것입니다. 해저드는 바로 전파원이 달에 가려졌다가 다시 나타나는 순간을 이용하면 이 전파원의 위치를 정확히 알아낼 수 있을 거라고 예측했습니다. 듣고 나면 간단한 아이디어지만 처음 그 아이디어를 떠올리는 것은 쉽지 않은 일입니다. _143-144쪽

10개 중 9개가량의 퀘이사들이 전파를 거의 방출하지 않거나 가시광선이나 엑스선에 비해서 전파를 매우 약하게 방출할 뿐입니다. 왜 그럴까요?
이 문제는 벌써 30년도 넘은 숙제입니다. 다른 특성들은 매우 비슷한데 어

출판사 서평

우주의 가장 신비로운 존재, 블랙홀의 비밀을 알아가는 매혹적인 여정
블랙홀의 정체, 기원, 특성에서 블랙홀 연구의 최전선까지 빠져드는 블랙홀 이야기!

블랙홀이란 무엇인가? 블랙홀은 실재하는가? 100년 넘게 외면받던 ‘검은 별’이라는 기이한 아이디어는 어떻게 현대 천체물리학의 주인공이 되었는가? 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 어떻게 1,000억 개의 별빛보다 밝은 빛을 뿜어낼 수 있는가? 은하중심 거대질량 블랙홀의 기원은? 블랙홀이라는 아이디어의 탄생과 발견의 역사에서 블랙홀의 특성, 블랙홀과 은하의 공동 진화, 블랙홀을 통한 시간 여행, ‘블랙홀 그림자’ 사진에 대한 친절한 해설까지, 최전선에서 블랙홀 연구를 주도하고 있는 연구자가 직접 나서서 블랙홀을 소개하는 책 《우종학 교수의 블랙홀 강의》가 출간되었다. 별다른 과학 지식이 없는 독자들을 위해 강연체의 글에 비유와 문답, 이해를 돕는 일러스트와 풍부한 도판을 활용해 쉽고 재미있게 설명하지만, 어려운 내용도 피해가지 않고 블랙홀에 관한 주요한 주제를 두루 망라했다. 21세기 블랙홀 연구자들의 주요 관심사가 된 블랙홀과 은하의 공동 진화, 블랙홀 그림자 사진에 대한 설명, 블랙홀 씨앗에 관한 문제 등, 기존 블랙홀 책에서 찾기 어려운 최신 주제와 연구 내용까지 포함하고 있다는 것도 이 책의 장점이다.

“거대한 우주의 구조가 만들어지는 장구한 세월 동안 수많은 별을 거느린 은하들은 마치 전쟁이라도 하듯 서로 부딪혀 깨지고 뭉쳐졌으며, 그 과정에서 블랙홀들이 서로 뭉쳐지기도 했습니다. 블랙홀은 엄청난 빛과 물질들을 뿜어내며 별들이 피고 지는 은하의 진화 과정에 지대한 영향을 주었으며 우주 역사를 이끌어왔습니다. 우주라는 무대를 누빈 블랙홀의 활약상과 그 정체를 밝혀온 과학자들의 노력을 따라 블랙홀을 한번 찬찬히 만나보는 건 어떨까요.”_31쪽

은하와 중심 블랙홀의 연결고리 연구의 세계적인 권위자
서울대 우종학 교수가 들려주는 경이롭고 매혹적인 블랙홀의 세계
저자는 블랙홀 연구, 특히 관측천문학 분야에서 세계적으로 손꼽히는 학자다. 나사에서 허블 펠로십을 받았고, ‘은하와 중심 블랙홀 연결고리 연구의 세계적인 권위자’로 인정받고 있다. 연구의 탁월함을 인정받아 한국천문학회 학술상을 받기도 했다. 얼마 전 중간질량 블랙홀 관측에 성공한 연구팀을 이끈 당사자이기도 하니, 누구보다 믿음직한 블랙홀 탐사의 길잡이라고 할 수 있다. 이 책을 쓰게 된 데는 “방정식과 그래프에 갇혀 있는 블랙홀 대신, 우주에서 찬란하게 빛나는 블랙홀의 매력을 전하는 방법”을 “평생 풀어야 할 숙제”로 여기던 과학자로서의 평소 소신이 작용했다. 과학이 인기 없는 것은 대중에게 영양가 높고 신선한 과학의 내용을 먹기 좋게 요리해 선보이는 데 소홀했던 과학자들의 책임도 있다고 느끼고서 ‘블랙홀 셰프’로 나선 것이다.

“과학 연구의 긴 과정을 통해서 밝혀진 블랙홀의 비밀을 대중에게 풀어내고 싶었습니다. 흥미진진한 블랙홀의 면면을 잘 요리해서 맛나게 먹을 수 있는 음식으로 내놓고 싶었습니다. 저의 블랙홀 연구에 밑거름이 되는 따끈따끈한 내용들도 담아보고 싶었습니다. 누구나 한 번쯤 들어본 블랙홀을 누구나 이해할 수 있도록 안내하는 책을 쓰고 싶다는 동기에서 이 책이 태어났습니다.”

10년 전에 낸 《블랙홀 교향곡》이 바탕이 되었다. 애초 대부분 대화로 이루어져 있던 글을 강연체로 바꾸고 불필요한 것들을 덜어내 형식은 간소화하는 대신 내용은 대폭 보강해 분량이 거의 2배로 늘었다. 지난 10년간 새롭게 밝혀진 비밀과 최근의 연구 결과들도 담았다. 그 결과 기초적인 중력이론에서부터 블랙홀 그림자에 대한 설명에 이르기까지, 신선한 재료로 풍성하게 차려낸 블랙홀 요리가 탄생했다.

알면 알수록 신비로운 천체, 블랙홀을 밝힌다!
전 세계를 뒤덮은 블랙홀의 그림자
블랙홀에 관한 관심이 뜨겁다. 지난 4월에는 블랙홀 그림자를 최초로 확인했다는 뉴스에 전 세계인의 이목이 집중되었고, 국내에서도 ‘블랙홀’이 인터넷 실시간 검색 1위에 오르기도 했다. 곧이어 6월에는 왜소은하의 중심블랙홀을 국내 연구팀이 최초로 확인했으며, 이 블랙홀은 그간 발견되던 거대질량 블랙홀이 아닌 중간질량 블랙홀로, 이를 통해 블랙홀 연구를 통한 우주의 기원을 밝히는 일에 일보전진이 이루어졌다는 사실에 과학계가 흥분하기도 했다. SF 영화와 소설의 소재로 이따금 등장하면서 사람들의 상상력을 자극하던 블랙홀이 조금씩 그 신비의 베일을 걷고 자신의 모습을 보여주는 듯하다.
블랙홀에 빠지면 어떻게 될까? 얼마나 가까이 가야 블랙홀에 빨려 들어갈까? 블랙홀 근처에서는 시간이 정지할까? 블랙홀과 웜홀을 통한 여행이 가능할까? 지구도 블랙홀이 될 수 있을까? 블랙홀은 끝없이 빨아들이기만 할까? 태양 크기의 별도 블랙홀이 삼킬 수 있을까? 블랙홀끼리도 충돌하면 어떤 일이 일어날까? 책은 블랙홀에 대해 아이들이 던지곤 하는 질문에서부터, 21세기 은하 진화 연구의 패러다임을 바꾼 거대질량 블랙홀에 관한 물음까지, 블랙홀에 관하여 품을 수 있는 다양한 물음을 다룬다. 은하 중심에 블랙홀이 있고, 태양질량의 100만 배에서 수백 억 배나 되는 거대질량 블랙홀의 주변을 별들이 빠르게 공전한다는 점, 블랙홀에서 때론 길이가 50만 광년에 이르는 ‘제트’라는 전자 분출물이 뿜어져 나오기도 한다는 점 등 그야말로 천문학적 스케일의 놀라운 사실들도 보여준다. 얼마 전 화제가 되었던 블랙홀 그림자에 관한 상세한 설명도 담았다(6장 4절). 블랙홀 씨앗에 관한 이론, 거대질량 블랙홀이라는 불가사의한 존재의 기원을 설명할 수 있는 중간질량 블랙홀 연구에 대한 설명은 이 주제에 정통한 연구자만이 할 수 있는 이야기이다(7장 6절). 독자는 블랙홀이 어떤 메커니즘을 통해 만들어져 성장하는지, 이것이 은하의 진화에 어떤 영향을 주었는지 등, 오늘의 블랙홀 연구가 밝혀낸 것과 여전히 미지의 영역으로 남아 있는 것을 책에서 확인할 수 있다.

손에 땀을 쥐게 하는 박진감 있는 드라마
블랙홀에 빠져든 수많은 과학자들의 이야기
블랙홀이라는 아이디어가 처음 제시된 후 오늘에 이르기까지 블랙홀의 비밀이 하나씩 드러나는 과정은 한 편의 장대면서도 박진감 넘치는 드라마라고 할 수 있다. 이 드라마에는 수많은 상상력과 끈기의 귀재들이 등장한다. 뉴턴의 중력법칙과 빛의 입자이론, 광속의 유한성이라는 토대 위에서 사고실험을 통해 빛조차 탈출할 수 없는 강한 중력을 지닌 ‘검은 별’이라는 개념을 제시하고 이를 검증하는 방법까지 제안한 존 미첼. 중력을 시간과 공간이 휘어지는 현상으로 기술, 중력이 강할수록 시공간의 휘어짐이 커진다고 설명하는 일반상대성이론을 통해 숙명적으로 블랙홀 재등장의 길을 연 아인슈타인. 아인슈타인 중력방정식의 해를 구함으로써 탈출속도가 빛의 속도가 되는 별의 한계 반지름, 즉 ‘슈바르츠실트 반지름’을 계산해내어 130년간 잊혀 있던 블랙홀을 현대 물리학의 토대 위에서 부활시킨 카를 슈바르츠실트. 별처럼 보이는 천체에서 전파가 나온다는 것을 밝힌 시릴 해저드와, 퀘이사라는 활동성 블랙홀을 발견한 마르텐 슈미트. 과연 별이 어떻게 중력에 의해 수축되어서 블랙홀이 되는지를 밝혀낸 찬드라셰카르. 은하 중심에 블랙홀이 있음을 발견한 여러 과학자들. 이들은 각자 선배 과학자들이 이룬 업적 위에서, 자신들이 당면한 문제를 붙들고 씨름해 결국 돌파구를 만들었다. 그 여정에는 이론상의 아버지라 할 아인슈타인에게 자신이 제시한 개념을 부정당한 카를 슈바르츠실트나 당시 과학계에서 막강한 영향력을 행사하던 아서 에딩턴의 권위에 눌리고 비난당했던 찬드라세카르와 같은 예도 있었다. 독자들은 이 흥미진진한 이야기를 읽으며 과학의 이론이 어떻게 등장하고 과학자들이 어떤 식으로 이를 검증, 입증하고 개선해가는지를 목격할 수 있다. 이를 통해 과학함의 매력과 흥분을 간접적으로 경험할 수 있다는 것도 분명 이 책의 커다란 장점이다.

[책 속으로 이어서]
거대질량 블랙홀의 씨앗, 즉 블랙홀의 기원을 설명하는 시나리오는 두 가지로 나눠 볼 수 있습니다. 첫 번째 시나리오는 가벼운 씨앗light seed 모델입니다. 별의 죽음에서 태어난 별 블랙홀stellar black hole들이 거대질량 블랙홀들

작가정보

저자(글) 우종학

서울대학교 물리천문학부 교수. 거대 블랙홀과 은하 진화를 연구하는 천문학자. 연세대학교 천문학과를 졸업하고, 예일 대학교에서 박사학위를 받은 후 산타바버라 소재 캘리포니아 대학교와 UCLA에서 연구원으로 일했고, 미 항공우주국(NASA) 허블 펠로십(Hubble Fellowship), 한국천문학회 학술상을 수상했다.
〈천체물리학 저널〉 등 국제 학술지에 약 100여 편의 논문을 게재했고, 연구 이외에도 과학을 대중에게 전달하는 강연과 저술에도 적극적으로 나서고 있다. 과학과 기독교의 관계를 새롭게 조명하며 연구하고 교육하는 단체인 ‘과학과 신학의 대화’를 설립해 대표를 맡고 있으며, 블로그 ‘별아저씨의 집solarcosmos.tistory.com’을 운영 중이다.
지은 책으로 이 책의 바탕이 된 《블랙홀 교향곡》을 비롯하여 《무신론 기자, 크리스천 과학자에게 따지다》 《과학시대의 도전과 기독교의 응답》 《대화》 (공저) 《기원》 (공저)이 있고, 《현대과학과 기독교의 논쟁》 《쿼크, 카오스 그리고 기독교》 《우주의 본질》 (공역)을 우리말로 옮겼다.