13. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가

블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가 — M87와 Sgr A의 이면

2019년 4월 10일, 인류는 처음으로 블랙홀의 사진을 손에 넣었다. 전 세계 언론이 일제히 같은 이미지를 실었다. 주황빛으로 타오르는 고리, 그 중심에 자리한 어둠. 반세기 넘게 수식과 이론 속에만 존재하던 블랙홀이 마침내 눈에 보이는 형태로 나타났다.

그런데 우리가 실제로 본 것은 무엇이었을까. 블랙홀 자체였을까. 아니면 블랙홀이 존재한다는 증거였을까. 이 두 가지는 같은 말처럼 들리지만 물리학적으로 전혀 다른 이야기다. 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가라는 질문은 그래서 성립한다. 그 사진이 보여준 것보다 보여주지 않은 것이 훨씬 많기 때문이다.

 

블랙홀 사진, M87

1. 사진에 찍힌 것은 블랙홀이 아니다

엄밀히 말해 EHT(사건지평선망원경, Event Horizon Telescope)가 포착한 것은 블랙홀 자체가 아니다. 블랙홀은 빛을 방출하지 않는다. 어떤 망원경으로도 블랙홀 자체를 직접 촬영하는 것은 원리적으로 불가능하다.

EHT가 포착한 것은 블랙홀 음영(shadow)이다. 블랙홀 주변에는 가스와 먼지로 이루어진 강착원반(accretion disk)이 존재한다. 강착원반이란 블랙홀의 강한 중력에 끌려온 물질들이 블랙홀 주위를 돌며 나선형으로 떨어지기 전에 형성하는 원반 구조다. 이 물질들은 마찰과 압축으로 수백만 도까지 가열되어 강렬한 빛을 방출한다.

이 빛 중 일부는 블랙홀의 중력에 의해 경로가 휘어진다. 블랙홀 바로 바깥 영역에서는 빛이 블랙홀 주위를 원궤도에 가깝게 돌다가 탈출하는 광자 고리(photon ring)가 형성된다. 관측자 쪽으로 탈출에 성공한 빛은 밝은 고리로 보이고, 블랙홀 방향에서 오는 빛은 사건의 지평선 안으로 빨려 들어가거나 차단되어 중심부에 어두운 영역이 생긴다. 이 어두운 영역이 블랙홀 음영이다.

즉 EHT 사진에서 밝게 빛나는 고리는 강착원반의 빛이 중력렌즈 효과로 구부러져 쌓인 것이고, 중심의 어둠은 블랙홀이 빛을 차단하는 영역의 윤곽이다. 블랙홀 자체의 모습이 아니라 블랙홀이 주변 빛에 남기는 흔적이다.

 

블랙홀 사진, 광자 고리

2. M87와 Sgr A가 확인한 것

EHT는 두 개의 블랙홀을 촬영했다. 2019년의 M87와 2022년의 Sgr A다.

M87는 처녀자리 은하단에 속한 거대 타원은하 M87의 중심에 있는 블랙홀로, 질량이 태양의 약 65억 배에 달한다. 지구로부터의 거리는 약 5500만 광년이다. Sgr A는 우리 은하 중심의 블랙홀로, 질량은 태양의 약 400만 배다. 거리는 약 2만 7000광년으로 M87*보다 훨씬 가깝지만, 은하 중심부의 가스와 먼지가 관측을 방해해 촬영이 더 어렵다.

두 사진이 공식적으로 확인한 것은 명확하다. 첫째, 일반 상대성 이론이 예측한 블랙홀 음영의 크기와 형태가 실제 관측 결과와 일치한다는 것이다. 아인슈타인의 방정식이 내놓은 수치가 맞았다. 둘째, 초거대 블랙홀이 실제로 존재한다는 직접적 증거가 확보됐다. 이전까지는 블랙홀의 중력이 주변 별과 가스에 미치는 간접적 영향으로만 존재를 추론했다. 셋째, M87*의 경우 음영이 예측보다 약간 비대칭적인 밝기 분포를 보이는데, 이는 블랙홀이 회전하고 있을 가능성과 일치한다.

두 블랙홀의 사진은 성격이 다르다. M87는 크기가 워낙 커서 비교적 안정적인 구조가 찍혔다. Sgr A는 크기에 비해 물질이 빠르게 움직이고 불안정하게 변하는 환경이라 EHT가 여러 날에 걸쳐 촬영한 수백 장의 이미지를 평균 처리해야 했다. 하나의 장면이 아니라 수일치 관측 데이터의 합성에 가깝다.

 

M87, Sgr A, 블랙홀 사진

3. 사진이 대답하지 못한 것들

블랙홀 사진이 확인한 것보다 확인하지 못한 것의 목록이 더 길다.

가장 근본적인 것은 사건의 지평선 안의 문제다. 사진이 포착하는 것은 사건의 지평선 바깥, 즉 빛이 아직 탈출할 수 있는 영역까지다. 사건의 지평선 안에서 무슨 일이 벌어지는지, 특이점이 정말 존재하는지, 블랙홀 내부의 물리 법칙이 어떻게 작동하는지는 현재의 기술로 관측이 불가능하다. 이것은 EHT의 해상도 문제가 아니라 원리의 한계다.

블랙홀의 회전 속도도 사진만으로는 확정되지 않았다. 블랙홀의 자전 속도인 스핀(spin) 파라미터는 블랙홀의 물리적 성질을 규정하는 핵심 변수다. M87* 사진은 음영의 비대칭성을 통해 회전의 가능성을 시사하지만, 정확한 스핀 값은 이미지 한 장으로 도출되지 않는다. 블랙홀이 얼마나 빨리 회전하는지는 후속 관측과 이론 모델을 결합해야 추정할 수 있다.

M87의 상징적인 특징 중 하나는 블랙홀에서 수천 광년을 뻗어나가는 상대론적 제트다. 상대론적 제트란 블랙홀 극 방향으로 플라스마가 광속에 가까운 속도로 분출되는 현상이다. 이 제트가 어떻게 형성되는지, 블랙홀의 에너지가 어떤 메커니즘으로 제트를 만들어내는지는 여전히 완전히 해명되지 않은 문제다. EHT의 사진은 제트의 시작점 근처 구조를 보여주기 시작했지만, 제트 형성의 근본 원인에 대한 결론은 아직 없다.

블랙홀 정보 역설도 사진이 건드릴 수 없는 영역이다. 블랙홀에 떨어진 물질의 정보가 어떻게 되는지, 호킹 복사를 통해 정보가 보존되는지에 대한 논쟁은 이미지 관측과 별개의 이론 문제다. 더 선명한 사진이 나와도 이 질문에 직접 답하지는 못한다.

해상도의 물리적 한계도 있다. EHT는 지구 크기의 간섭계를 구성해 역사상 가장 높은 각도 분해능을 달성했지만, 블랙홀 자체의 세밀한 구조를 들여다보기에는 여전히 부족하다. 강착원반의 내부 구조, 광자 고리의 세부 형태, 사건의 지평선 바로 바깥에서 일어나는 물리 현상을 분리해서 보려면 현재보다 훨씬 높은 해상도가 필요하다.

 

블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가

마무리

블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가. 특이점의 실체, 블랙홀 내부의 물리 법칙, 정보의 운명, 스핀의 정확한 값, 제트의 형성 원인. 이것들은 사진이 등장했어도 여전히 답이 없는 질문들이다.

2019년 M87* 사진이 공개되었을 때 그것은 100년 이론의 검증이었다. 동시에 그 사진은 새로운 질문을 쏟아냈다. 2022년 Sgr A* 사진이 추가됐을 때도 마찬가지였다. 비교 대상이 생기면서 두 블랙홀의 차이가 오히려 설명되지 않은 부분을 더 선명하게 드러냈다.

EHT의 후속 프로젝트인 ngEHT(차세대 사건지평선망원경)는 더 많은 전파망원경을 추가해 해상도를 높이고, 블랙홀 음영의 동영상에 가까운 관측을 목표로 한다. 더 선명한 사진이 나올 것이다. 그리고 더 선명해질수록 우리가 아직 보지 못한 것이 어디에 있는지도 더 분명해질 것이다. 블랙홀 사진 한 장은 끝이 아니라 시작이었고, 다음 장이 나올 때마다 그 시작은 다시 쓰일 것이다.

관측이 허용하는 한계에 다가갈수록, 블랙홀이 실제로 만들어질 수 있는지에 대한 질문도 자연스럽게 떠오른다. 망원경으로 수십억 광년 떨어진 블랙홀을 보는 것과, 지구에서 직접 블랙홀을 만들 수 있는지를 묻는 것은 같은 물리학이 닿아 있는 전혀 다른 질문이다.