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노벨 물리학상, 블랙홀 수학적 연구와 실제 발견에 기여한 3 과학자 공동수상

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등록 2020-10-06 21:05:03  |  수정 2020-10-06 22:01:42
영국의 펜로즈, 독일의 겐첼 및 미국의 게즈 교수
게즈 교수는 여성으로 네 번째 수상자 영예
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[스톡홀름--=AP/뉴시스] 6일 스웨덴 과학원에서 노벨위원회가 올해 노벨 물리학상 수상자를 발표하고 있다. 스크린에 3명의  공동수상자인 펜로즈 경, 겐첼 박사 및 게즈 교수 사진이 올려져 있다.
[서울=뉴시스] 김재영 기자 = 과학현상 중 가장 난해하면서도 일반인들의 과학적 호기심을 가장 많이 자극해온 블랙홀 연구자 3명이 올해 노벨 물리학상을 공동수상했다.

6일 스웨덴 왕립과학원과 노벨위원회는 블랙홀 연구에 수학적 기초를 쌓은 영국 옥스퍼드대의 로저 펜로즈(89) 경과 우리은하 내 거대 블랙홀을 발견해낸 독일의 라인하르트 겐첼(68) 막스 플랑크연구원 교수 및 미국의 앤드리어 게즈(55) 캘리포니아주립대 LA분교 교수를 올 노벨 물리학상 수상자로 선정 발표했다.

1931년 출생한 펜로즈 교수는 34세 때인 1965년에 아이슈타인의 일반상대성이론을 바탕으로 블랙홀 형성이 가능하다는 것을 수학적으로 증명하였다.

현재 60대와 50대인 겐첼과 게즈는 20여 년 전인 1990년대 천문관측단을 이끌면서 우리은하의 중심이기도 한 궁수자리와 전갈자리 경계선에서 태양 질량 430만 배의 초대질량 블랙홀을 발견했다.  

특히 게즈는 이날 수상으로 역대 네 번째 여성 노벨 물리학상 수상자가 됐다. 지금까지 노벨 물리학상을 받은 여성 과학자는 마리 퀴리(1903년), 마리아 거트루드 메이어(1963년), 도나 스트리클런드(2018년) 뿐이다.

상금 1000만 크로나(12억8000만원)을 펜로즈 경이 반을, 나머지 반을 겐첼 교수와 게즈 교수가 받게 된다. 

블랙홀은 상상할 수 없는 정도의 질량이 밀접 응집돼 엄청난 중력을 내뿜는 천체로 우주에서 가장 빠르게 움직이고 있는 빛도 빠져나가지 못하고 갇히게 된다. 빛이 나오지 않아 눈으로 볼 수 없지만 엄연히 존재하는 천체인 블랙홀은 18세기부터 과학자들의 머리 속에 있었으나 1915년 아이슈타인의 일반상대성 이론에서 개념화됐다.

일반상대성이론에 의하면 충분히 무거운 물체는 '빛을 포함해 어떤 것도 빠져나올 수 없는 엄청난 중력의 시공간 영역의 천체(블랙홀)'을 언제나 만들어낼 수 있다. 펜로즈 경는 이 가능성을 수학적 해로 증명했으며 시간과 우주에 관해서 같은 영국의  스티븐 호킹 박사에 버금가는 권위를 인정받았다.

아이슈타인의 일반상대성 이론은 질량이 존재하면 시공간이 휘게 되고 이런 휜 시공간의 효과가 중력이라고 말하고 있어 시공간이 '아주 심하게' 휘어서 어떤 입자나 빛도 바깥으로 빠져나갈 수 없는 영역, 블랙홀을 궁극적으로 상정한다. 그러나 알버트 아이슈타인은 블랙홀 존재를 믿지 않았으며 그가 탄 1921년 노벨 물리학상은 광전자 이론에 주어졌다  

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【서울=뉴시스】 인류역사상 최초의 블랙홀 모습을 담은 사진이 공개됐다. 이벤트 호라이즌 망원경(EHT) 프로젝트팀은 2019년 4월10일(현지시간) 벨기에 브뤼셀에서 연구결과를 발표했다. 사진은 연구팀이 발표한 블랙홀 주변의 사진으로 트위터 화면을 캡쳐한 것이다. 2019.04.10
이런 상황에서 1965년 34세의 펜로즈가 블랙홀의 구성 및 존재가 일반상대성이론의 수학적 귀결이라는 것을 증명해냈다. 이제 블랙홀을 실제 발견하고 관측하는 일이 남았다.

별이나 은하를 볼 수 있는 것은 거기서 빛이 나오기 때문인데 블랙홀은 빛이 나오지 못하므로 결코 볼 수 없다. 따라서  블랙홀의 존재를 확인하는 방법은 관측이 아닌 다른 방법에 의해서 이루어진다. 블랙홀 근처에 어떤 별이 있다면 이 별에서 방출되는 기체가 블랙홀로 끌려들어가면서 X선이 방출된다.

펜로즈의 논문 발표 5년 뒤인 1970년 엑스선 관측 위성이 백조자리에서 엑스선을 내는 천체 X-1을 발견하면서 일반상대성이론의 수학적 해로만 존재하던 블랙홀이 실제 우주에 존재하는 천체로 받아들여지게 되었다. 백조자리 X-1은 질량이 태양의 10배 정도에 그치는 '별질량블랙홀'이었다.

그러던 중 우리은하 중심부에는 '궁수자리 A*'라 불리는 특이한 전파원이 있는데 이 전파원 주위 별들의 운동을 적외선으로 10여 년 관측한 결과 이 별들이 아주 빨리 움직이고 있음이 확인되었다. 별들이 이렇게 빨리 움직이기 위해서는 강한 중력이 존재해야 하므로 우리은하 중심부에는 작지만 아주 무거운 천체가 존재해야 한다. 이렇게 확인된 우리은하 중심부 블랙홀의 질량은 태양 질량의 약 430만배로 밝혀졌다.

겐첼과 게즈가 이끄는 천문관측대가 1990년 대에 이 궁수자리 내의 '초대질량블랙홀'을 발견한 것이다.

한편 블랙홀은 수학적 해 증명 및 우리은하 내 발견에도 불구하고 워낙 중력이 강하고 어두운 데다 너무 멀리 있어 직접 관측하기가 난망했다. 그러다 블랙홀 경계선을 탐색하는 '사건지평선' 망원경 연구진이 8개 대륙에 위치한 전파망원경을 동원해 인류 최초로 블랙홀을 관측했고 그 영상을 2년의 작업 끝에 2019년 4월10일 공개했다.

이때 관측 공개된 블랙홀은 우리은하 내가 아닌 5500만 광년 떨어진 한 거대은하 내 것으로 우리 눈에는 처녀자리 중심부에 2017년 4월5일부터 14일까지 관측되었고 2년 간의 분석 작업을 거쳐 공개된 것이다. 이 블랙홀 질량은 태양 65억 배에 달하며 지름이 160억㎞에 이른다.

겐첼과 게즈가 발견한 궁수자리 초대질량블랙홀보다 엄청나게 큰 것으로 과학자들은 모든 은하의 중심에는 이 같은 초대질량 블랙홀이 있다고 본다. 우주 내에는 하나의 우리은하를 포함해 수천 억 개의 은하가 있으므로 수천 억 개의 초대질량블랙홀이 우주에 있다는 말이 된다.


◎공감언론 뉴시스 kjy@newsis.com
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