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미스터리 전체

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02. 암흑물질 미스터리 , 총알 성단 — 보이지 않는 물질의 가장 강력한 증거 총알 성단이 암흑물질 증거로 인정받는 이유2006년 발표된 총알 성단(Bullet Cluster, 1E 0657-56) 합성 사진은 암흑물질 논쟁에서 하나의 전환점이 되었다. 지구에서 약 37억 광년 떨어진 이 천체는 두 은하단이 충돌한 흔적이다. 사진 속에는 분홍빛 구름과 파란빛 구름이 서로 다른 위치에 분리된 채 찍혀 있었다. 총알 성단은 암흑물질 연구에서 가장 자주 인용되는 관측 증거다.총알 성단이란 두 은하단이 충돌하는 과정에서 뜨거운 가스와 질량의 분포가 분리된 것이 확인된 천체계다. X선으로 관측되는 뜨거운 가스는 충돌 중심부에 뭉쳐 있는 반면, 중력렌즈 분석으로 추적한 질량 중심은 가스가 없는 위치에서 검출되었다. 이 분리는 가시 물질과 다르게 행동하는 어떤 물질이 있음을 시사한다.이 관측이..
01. 암흑물질 미스터리 , 은하는 왜 예상보다 빨리 도는가 — 베라 루빈과 암흑물질의 발견 은하 회전 곡선과 암흑물질 — 베라 루빈이 발견한 우주의 공백태양계에서 바깥쪽 행성일수록 느리게 공전한다는 사실은 오래전부터 알려져 있었다. 이것이 케플러의 제3법칙이고, 지금껏 한 번도 어긋난 적이 없는 규칙이었다. 그런데 1970년대 천문학자 베라 루빈은 이 법칙을 은하 전체에 적용했을 때 전혀 다른 결과를 마주했다. 은하 바깥쪽 별들은 느려지지 않았다. 은하 회전 곡선은 예상과 달리 평탄했다.암흑물질이란 전자기파로는 관측되지 않지만 중력을 통해 존재가 간접 확인되는 미지의 물질이다. 빛을 내거나 흡수하지 않아 망원경으로는 직접 볼 수 없으며, 현재 우주 전체 에너지-질량의 약 27%를 차지하는 것으로 추정된다. 은하 회전 곡선의 이상 현상은 이 암흑물질의 존재를 처음으로 강하게 시사한 관측 증거였다..
18. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설 블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설블랙홀 안에는 특이점이 있다. 밀도가 무한대가 되고 시공간의 법칙이 붕괴하는 지점. 일반 상대성 이론이 내놓는 이 답은 동시에 일반 상대성 이론의 한계를 고백한다. 물리학이 작동하지 않는 지점을 이론 스스로 만들어내기 때문이다.끈이론(string theory)은 이 답을 받아들이지 않는다. 블랙홀 내부에 특이점이 있다는 것은 이론의 결론이 아니라 이론이 부서지는 지점이라는 신호다. 끈이론의 관점에서 블랙홀은 처음부터 다르게 생겼을 수 있다. 특이점도 없고, 텅 빈 내부도 없으며, 사건의 지평선의 성질도 달라진다. 이것이 퍼즈볼(fuzzball) 가설이다.블랙홀의 내부를 다시 쓴다는 것은 단순한 수정이 아니다. 지금까지 블랙홀에 대해 제기된 거의 모든 역설..
17. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀이 암시하는 2차원 우주 — 홀로그래픽 원리 블랙홀이 암시하는 2차원 우주 — 홀로그래픽 원리방 안에 가득 찬 공기의 엔트로피를 계산하면 부피에 비례한다. 직관적으로 당연한 결과다. 공간이 두 배가 되면 담을 수 있는 정보도 두 배가 된다. 이것이 열역학이 세상을 이해하는 방식이다.그런데 블랙홀은 이 직관을 거부한다.1970년대 야콥 베켄슈타인(Jacob Bekenstein)은 블랙홀의 엔트로피를 계산했다. 엔트로피란 계가 담을 수 있는 정보의 양, 혹은 가능한 미시 상태의 수를 나타내는 물리량이다. 블랙홀의 엔트로피를 계산한 결과는 예상과 달랐다. 블랙홀의 엔트로피는 부피가 아니라 사건의 지평선의 표면적에 비례했다. 3차원 공간에 존재하는 천체의 정보량이 그것의 2차원 표면에 의해 결정된다는 것이다.이것이 홀로그래픽 원리(holographic p..
16. 블랙홀 미스터리 , 사건의 지평선은 당신을 태운다 — 방화벽 역설 사건의 지평선은 당신을 태운다 — 방화벽 역설블랙홀에 떨어지는 사람은 사건의 지평선을 통과하는 순간 아무것도 느끼지 못한다. 이것이 일반 상대성 이론이 오랫동안 말해온 내용이다. 지평선은 특별한 물리적 경계가 아니라 단지 좌표상의 경계이며, 낙하하는 사람의 관점에서 그 순간은 아무 사건도 없이 지나간다. 충분히 큰 블랙홀이라면 강한 조석력도 없다.그런데 2012년 물리학자 네 명이 이 전제를 정면으로 뒤흔드는 논문을 발표했다. 알메헤이리(Ahmed Almheiri), 마롤프(Donald Marolf), 폴친스키(Joseph Polchinski), 선리(James Sully). 이 네 사람의 이름 첫 글자를 따서 AMPS라 불리는 이 논문의 주장은 간결하고 충격적이었다. 사건의 지평선에는 방화벽(firew..
15. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀 옆에서 별이 산다 — 극한 쌍성계의 비밀 블랙홀 옆에서 별이 산다 — 극한 쌍성계의 비밀블랙홀 바로 옆에서 별이 살고 있다. 수백만 년째, 천천히 물질을 빼앗기면서도 아직 살아 있다. 블랙홀은 모든 것을 집어삼키는 존재라는 인식과 정반대되는 이 장면이 우주 곳곳에서 실제로 관측된다.두 천체가 중력으로 묶여 서로를 공전하는 쌍성계는 우주에서 흔한 구조다. 그런데 그 쌍 중 하나가 블랙홀이라면 이야기가 달라진다. 블랙홀-별 쌍성계, 즉 X선 이진계(X-ray binary)는 우주에서 가장 극한적인 물리 조건 중 하나를 만들어낸다. 이 시스템 안에서 별은 파괴되지 않고 버티며, 그 과정에서 블랙홀은 우주에서 가장 밝은 X선 광원 중 하나가 된다. 극한 쌍성계의 비밀은 단순히 블랙홀이 별을 잡아먹는다는 이야기가 아니다. 1. 백조자리 X-1 — 블랙홀..
14. 블랙홀 미스터리 , 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가 — 초미니 블랙홀과 여분 차원블랙홀을 만들려면 별 하나를 붕괴시켜야 한다. 적어도 태양 질량의 수 배에 달하는 별이 핵연료를 다 소진하고 자신의 무게를 버티지 못해 중력 붕괴를 일으킬 때 블랙홀이 생긴다. 이것이 표준적인 이해다. 실험실에서 블랙홀을 만든다는 발상은 공상과학 소설의 영역처럼 들린다.그런데 물리학의 한 이론은 그 가능성이 완전히 닫혀 있지 않다고 말한다. 우주에 우리가 경험하는 4차원 시공간 너머에 추가 차원이 존재한다면, 블랙홀 생성에 필요한 에너지 문턱이 현재 기술로 도달 가능한 수준으로 낮아질 수 있다. 인류가 블랙홀을 만들 수 있는가라는 질문은 이 이론을 통해 진지한 물리학의 대화로 진입한다. 1. 블랙홀 생성의 조건과 플랑크 에너지어떤 물체든 충분히..
13. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가 블랙홀 사진은 무엇을 말해주지 않았는가 — M87와 Sgr A의 이면2019년 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. 1. 사진에 찍힌 것은 블랙홀이 아니다엄밀히 말해 EHT(사건지평선망원경, Eve..

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