별의 무덤을 본 사람들

크리스 임피 지음 | 김준한 옮김

시공사 2023년 11월 24일 출간 종이책 : 2023년 10월 25일 출간

작품소개

책소개

블랙홀이 존재한다는 증거가 처음 등장했을 때는 대부분 그것을 믿지 않았다. 가까이 다가가는 모든 것이 조용히 빨려 들어가 자취를 감추는 새카만 구멍. 시간도 빛도 탈출할 수 없을 만큼 강력한 중력을 만들어내는 괴물. 블랙홀의 중심은 시공간의 곡률과 밀도가 무한대가 되는 특이점을 품고 있으며, 블랙홀의 내측과 외측을 나누는 경계인 사건지평선은 내부의 물질을 영원히 가둘 수 있는 중력적 경계다. 심지어 아인슈타인조차도 블랙홀이 존재한다는 데 회의적이었다. 대체 이런 천체가 존재할 수 있다는 말인가?
그러나 블랙홀은 실재한다. 블랙홀의 내부를 들여다보는 것은 불가능하지만, 우리는 블랙홀이 주변 천체나 우주에 미치는 영향을 통해 그것이 걸어온 길을 따라갈 수 있다. 세계적인 천문학자 크리스 임피는 이 책에서 블랙홀 연구의 과거와 현재, 미래를 논한다. 갈릴레이가 천체망원경을 고안한 이래, 수많은 과학자들이 호기심 어린 눈빛으로 이 미지의 천체를 추적해왔다. 우리는 불가사의하고 신비로운 검은 천체를 좇아 무모한 모험을 떠나고 기약 없는 연구를 기꺼이 감내한 과학자들을 만날 것이다. 별이 죽은 자리에 태어나는 블랙홀의 발자취를 따라, 별의 무덤에 마침내 도달한 사람들 말이다.

목차

들어가며

1부 크고 작은 블랙홀의 증거

1장 어둠의 심장
검은 별을 상상한 성직자 | 위대한 프랑스인 수학자가 끼어들다 | 시공간의 구조를 이해하다 | 특이점과 어느 짧은 인생 | 별의 내부 폭발과 원자폭탄의 지배자 | 불가해한 것이 완벽한 이름을 얻다 | 중력과 병에 시달리던 천재 | 블랙홀에 내기를 걸다 | 블랙홀 이론의 황금기

2장 별의 죽음에서 생겨나는 블랙홀
빛과 어둠의 힘 | 중력과 어둠은 최후의 승자 | 첫 번째 블랙 스완을 찾다 | 보이지 않는 댄스 파트너의 무게 | 특별한 증명서를 받은 블랙홀 | 중력 광학을 이용하다 | 대혼란의 경계에 선 물리학 | 쌍성 우화로의 여행

3장 초대질량블랙홀
세계 유일의 전파천문학자 | 밝은 핵을 지닌 은하들 | 전파천문학의 시대가 도래하다 | 퀘이사를 발견한 네덜란드 천문학자 | 멀리 떨어진 빛의 점들을 수확하다 | 거대질량블랙홀을 추측하다 | 제트와 로브의 지도 | 활동은하의 동물원 | 관점의 문제

4장 중력 엔진
이웃집의 커다란 블랙홀 | 심연 경계의 별들 | 모든 은하가 품은 암흑의 핵 | 괴물을 길들인 루드로 남작 리스 | 퀘이사를 사용해 우주를 살피다 | 블랙홀 수천 개의 무게를 재다 | 우주에서의 부착에너지 | 거대 블랙홀은 무섭지 않다

2부 블랙홀의 과거, 현재 그리고 미래

5장 블랙홀의 생애
우주의 씨앗 | 태초의 빛과 첫 어둠 | 항성들의 격변에 의한 블랙홀 탄생 | 잃어버린 고리를 찾아서 | 컴퓨터로 극한의 중력을 시뮬레이션하다 | 블랙홀과 은하가 어떻게 성장하는가 | 블랙홀로서의 우주 | 실험실에서 블랙홀을 만들다

6장 중력의 시험 무대, 블랙홀
뉴턴의 중력에서 아인슈타인 그 이후까지 | 블랙홀이 시공간에 어떤 작용을 하는가 | 블랙홀이 복사에 미치는 영향 | 철의 장막 안쪽 | 심연 인근에서 깜빡이는 엑스선 | 블랙홀이 별을 잡아먹을 때 | 블랙홀의 스핀을 측정하다 | 사건지평선망원경

7장 중력의 눈으로 보다
우주를 보는 새로운 방법 | 시공간에서의 물결 | 괴짜 백만장자와 고독한 엔지니어 | 블랙홀들이 충돌할 때 | 역사상 만들어진 가장 정밀한 기기 | 중력의 거장을 만나다 | 중력의 눈으로 우주를 보다 | 거대 블랙홀의 충돌과 병합 | 중력과 빅뱅

8장 블랙홀의 운명
중력의 새 시대 | 우리 이웃의 퀘이사 | 안드로메다와의 병합 | 우주에서 가장 큰 블랙홀 | 죽은 별들의 시대 | 소멸과 붕괴의 미래 | 블랙홀과 살기

용어 설명
주

책 속으로

사람들 대부분이 블랙홀에 대해 안다고 생각하는 사실은 틀렸다. 블랙홀은 근처의 모든 것을 빨아들이는 우주 진공청소기가 아니다. 블랙홀은 사건지평선에 아주 가까운 공간과 시간만을 뒤튼다. 블랙홀은 우주를 구성하는 질량 중 작은 부분만을 차지하고, 우리에게 가장 가까운 블랙홀은 수백조 킬로미터나 떨어져 있다. 그것을 사용해 시간 여행을 하거나 다른 우주를 방문하는 일은 아마 일어나지 않을 것이다. 블랙홀은 검지 않다. 입자와 복사를 흘려보내듯 방출하고 대개 쌍성계를 이루는 일부이며 주변으로 떨어지는 가스는 가열되어 맹렬히 빛난다. 블랙홀이 꼭 위험하지도 않다. 거의 모든 은하가 한가운데에 블랙홀을 거느리고 있는데, 당신이 그 속에 떨어지더라도 아무것도 느끼지 않을 수 있다. 비록 목격한 상황을 누구에게도 전할 방법이 없겠지만. ▶들어가며 pp.9~10

“바데는 우주의 신비를 보았다. 마치 그가 형사반장 중 하나로 등장하는 최고의 탐정 소설처럼 말이다.” ‘왕눈이’라는 별명을 지닌 200인치 망원경을 백조자리 A에 겨누었을 때, 바데는 그 결과로 얻은 사진 건판을 보고 전율에 빠졌다. “네거티브필름을 확인하던 순간, 평소와 뭔가 다르다는 것을 알았다. 건판 전체에는 200개 넘는 은하가 가득했고, 가장 밝은 은하가 중앙에 있었다. 그것은 두 핵 사이의 중력적 끌어당김인 조석변형의 흔적을 보여주었다. 그런 것은 이전에 본 적이 없었다. 너무 대단했기 때문에 저녁을 먹으러 집으로 운전해 가다가 잠시 차를 멈추고 생각해야만 했다.” ▶3장 초대질량블랙홀 p.110

두 그룹의 연구자들은 놀랍게도 동일한 결론에 도달했다. 은하중심에 가까이 있는 어떤 별들은 시속 48만 킬로미터보다도 빠르게 움직였고, 이는 은하중심 수 광년 안쪽에 있는 질량이 태양질량의 수백만 배라는 뜻이었다. 그러나 그만큼의 별빛은 안쪽 영역에서 보이지 않았다. 심지어 어두운 별들로 이루어진 밀도 높은 성단이 있다는 가설조차도 거대한 질량이 한가운데 집중되어 있음을 설명하기가 불가능했다. 증거는 한 방향을 가리켰다. 태양질량의 수백만 배나 되는, 단 하나의 밀집되고 어두운 천체. 아주 가까이에 초대질량블랙홀이 있었던 것이다. ▶4장 중력 엔진 p.146

우주는 별 질량의 도시 크기만 한 녀석들부터 은하 질량의 태양계 크기만 한 것까지 다양한 블랙홀을 가지고 있다. 그렇다면 어떻게 블랙홀이 태어나고 살아가는 것일까? 이 이야기는 빅뱅에서 시작해, 은하중심에서 발생하는 극렬한 별의 죽음 그리고 질량 수렴과 함께 이어진다. 관측, 이론, 컴퓨터 시뮬레이션에 추측 약간을 섞어, 천문학자들은 블랙홀의 역사를 종합했다. 그들은 우주 자체가 블랙홀이 아닐까 하는 질문까지도 던졌다. ▶5장 블랙홀의 생애 p.187

낙관론자로서 나는 지식의 시대를 상상한다. 누군가 사건지평선에 저장된 정보를 홀로그램으로 읽는 방법을 배우고, 다른 이들은 회전하는 블랙홀로 뛰어드는 모습을. 그리고 회전하는 블랙홀에는 시간과 같은 표면이 있어 당신이 절대 그곳을 떠나지는 않지만 과거의 당신과 미래의 당신을 만나려 순간적으로 여행할 수 있는 거울의 구멍으로 작용하는 것을. 마지막으로, 지각의 시대를 상상한다. 이때 생명은 순수한 계산으로 블랙홀은 정보 저장소의 형태로 정제될 것이다. 이러한 암호들이 우주의 심장박동을 지속시키는 생각을 한다는 것은 얼마나 기쁜 일인가. ▶8장 블랙홀의 운명 p.356

출판사 서평

“수백 년 전, 감히 검은 별을 상상한 이들이 있었다.”

별이 죽은 자리에서 태어나는
우주에서 가장 기묘하고 경이로운 천체 이야기

스페이스닷컴 선정 ‘최고의 우주 과학 도서’
《비욘드》의 저자 크리스 임피 신작!

가까이 다가가는 모든 것이 조용히 빨려 들어가 자취를 감추는 새카만 구멍. 시간도 빛도 탈출할 수 없을 만큼 강력한 중력을 만들어내는 괴물. 누구도 통제할 수 없고 상상만으로도 두려움을 불러일으키는 무한의 천체. 존재만이 증명되었을 뿐 누구도 실제로 본 적 없는 불가사의의 상징. 순간이동이나 시간 여행 같은 공상과학적 상상조차 현실이 될 것 같은 미지의 천체, 블랙홀.
블랙홀이 존재한다는 증거가 처음 등장했을 때는 대부분 그것을 믿지 않았다. 심지어 아인슈타인조차도 블랙홀이 존재한다는 데 회의적이었다. 블랙홀의 중심은 시공간의 곡률과 밀도가 무한대가 되는 특이점을 품고 있으며, 블랙홀의 내측과 외측을 나누는 경계인 사건지평선은 내부의 물질을 영원히 가둘 수 있는 중력적 경계다. 대체 이런 천체가 존재할 수 있다는 말인가? 과학자들은 관측 자료와 이론의 해석을 놓고 혼란스러워했다.
그러나 블랙홀은 실재한다. 다른 천체들처럼 우주 어딘가에서 태어나, 가스를 게걸스럽게 먹고 다른 은하와 병합하면서 성장하다가 죽음을 맞는다. 블랙홀의 내부를 들여다보는 것은 불가능하지만, 우리는 블랙홀이 주변 천체나 우주에 미치는 영향을 통해 그것이 걸어온 길을 따라갈 수 있다. 아주 오랜 시간에 걸쳐 힘겹게 우주를 건너 지구에 도착한 별빛과 전파를 분석해 블랙홀의 탄생을, 삶을, 죽음을 알아낼 것이다.
세계적인 천문학자 크리스 임피는 신작 《별의 무덤을 본 사람들(원제: Einstein's Monsters)》에서 블랙홀 연구의 과거와 현재, 미래를 논한다. 갈릴레이가 천체망원경을 고안한 이래, 수많은 과학자들이 호기심 어린 눈빛으로 이 미지의 천체를 추적해왔다. 우리는 이 책에서, 불가사의하고 신비로운 검은 천체를 좇아 무모한 모험을 떠나고 기약 없는 연구를 기꺼이 감내한 과학자들을 만날 것이다. 별이 죽은 자리에 태어나는 블랙홀의 발자취를 따라, 별의 무덤에 마침내 도달한 사람들 말이다.

아인슈타인부터 오펜하이머, 킵 손과 호킹까지
상상 속 천체를 찾아 미지를 탐험한 과학자들을 만나다

1700년대 영국의 작은 마을 교회에서 성직자 생활을 하고 있던 존 미첼은 빛이 탈출할 수 없기 때문에 우리가 관측할 수 없는 ‘검은 별’이 존재하리라고 상상했다. 그는 뉴턴의 물리 법칙만을 사용했기에 완벽한 추론을 할 수 없었지만, 이것이 블랙홀 연구의 시작이었다고 볼 수도 있을 것이다. 시간이 흘러 1900년대에 카를 슈바르츠실트라는 학자가 블랙홀의 두 가지 필수 요소인 특이점과 사건지평선을 예측했다.
블랙홀은 아인슈타인의 상대론 없이는 이해할 수 없다. 그러나 정작 아인슈타인은 이런 발견들에 전혀 기뻐하지 않았다. 그는 블랙홀을 불완전한 물리적 이해의 흔적이라고 생각했다. 물리적 대상이 0의 크기와 무한대의 밀도를 지닌다는 것은 말이 되지 않았기 때문이다. 여기서 원자폭탄의 아버지, 로버트 오펜하이머가 등장한다. 1939년, 그는 질량이 큰 별이 어떤 물질보다도 밀도가 높은 상태까지 수축할 수 있음을 증명했고, 그 별의 삶이 끝날 때 필연적으로 블랙홀이 형성됨을 보였다. 블랙홀을 추측이 아닌 그럴듯한 사실로 바꿔놓은 것이다.
블랙홀은 연구하면 할수록 이상했다. 학자들은 그 실재를 의심하면서도 탐구를 멈추지 않았다. 우리가 잘 아는 비운의 천재, 스티븐 호킹도 여기 합류했다. 호킹은 블랙홀이 ‘증발’한다는 주장과 함께 호킹복사 이론을 제시했으며, 블랙홀 내부에서 정보가 소멸하는지를 놓고 동료 학자와 내기를 벌이기도 했다. 그는 정보가 소멸한다는 입장에 섰지만 결국 내기에 패배했다. 1975년에는 또 다른 물리학자 킵 손과의 내기에서 블랙홀의 존재에 반대하는 입장에 섰지만, 이후 백조자리 X-1이 강력한 블랙홀 후보로 밝혀지면서 이 내기에서도 패배를 인정해야 했다.
수없이 시행착오를 겪은 연구자들 덕분에, 블랙홀 연구는 황금기를 맞이했고 매년 블랙홀을 다룬 논문이 무수히 쏟아지고 있다. 그리고 이제 우리는 블랙홀을 직접 눈으로 ‘보는’ 혁명의 최전선에 서 있다. 오로지 빛과 다른 형태의 전자기파만을 이용해 우주를 연구해온 400년의 역사 이후, 2015년 처음으로 중력파가 검출되었기 때문이다. 앞으로 지구는 중력의 눈으로 블랙홀을 바라보게 될 것이다. 인류가 더 오래 생존한다면, 우리의 먼 후손들은 우리은하의 중심에 있는 블랙홀이 이웃 안드로메다은하 중심에 있는 블랙홀과 병합하는 모습을 가까이에서 관측하는 호사를 누릴 것이다. 그러나 결국 블랙홀도 먹이를 잃고 굶주리다가 끝내 소멸할 것이다. 인간이 언젠가 죽음을 맞이하는 유한한 생명체이듯, 이 세상에 영원한 것은 없다. 우주도, 블랙홀도.

이 책에서 우리는 그동안 미지의 ‘괴물’로만 여겨졌던 블랙홀이 생명을 가진 ‘실체’로서 모습을 드러내기까지 과학자들이 쌓아온 감동적인 업적을 마주할 것이다. 《양자혁명》의 저자 만지트 쿠마르가 말했듯, 이 책은 "블랙홀의 역사를 따라간 과학자들과 그들의 연구를 하나하나 엮어 매혹적으로 펼쳐낸 역작"이다. 기술이라는 검을 들고 지식이라는 방패로 무장한 채 137억 년에 걸친 우주를 탐험하는 과학자들의 모습이 곳곳에서 반짝인다. 이 아름답고 경이로운 여정에 함께해보자.

작가정보

저자(글) 크리스 임피

Chris Impey
애리조나대학교의 천문학과 교수로, 우주생물학을 연구하는 세계적인 학자다. 우주생물학계의 스타 학자이자 위트 있고 통찰력 넘치는 글 솜씨로도 유명한 그는 2002년 국립과학재단에 의해 ‘과학 대중화에 가장 공이 큰 학자’로 선정되었을 만큼 대중과의 소통과 교감을 중시하는 학자로 알려져 있다. 우수교육자상을 11번이나 수상했으며, 카네기위원회에 의해 ‘올해의 교수’로 선정되기도 했다. 미국천문학회의 부회장을 지냈고, 유서 깊은 학술 단체인 파이베타카파의 방문연구원이었으며 2009년에는 미국과학진흥회의 펠로로 선출되었다. 《세상은 어떻게 끝나는가》 《세상은 어떻게 시작되었는가》 《우주 생명 오디세이》 《비욘드》 《스페이스 미션》(공저) 등을 썼다.

번역 김준한

서울대학교에서 전기공학과 천문학을 공부했고 미국 애리조나대학교에서 천문학 및 천체물리학 전공으로 박사 학위를 받았다. 캘리포니아 공과대학 물리학과에서 박사후연구원으로 근무했다. 2023년 10월부터 카이스트 물리학과에 부임해 전파천문학과 우주론 연구를 이어나가며 학생들을 가르칠 예정이다. 《남극점에서 본 우주》(공저)를 썼고 《오늘 밤은 별을 볼 수 없습니다》를 옮겼다.