블랙홀은 너무나도 기이한 존재다
천체물리학자가 칵테일파티에 참석했을 때 가장 많이 듣는 질문은 바로 블랙홀에 관한 것이다. 물론 충분히 그럴 만한 이유가 있다. 블랙홀은 정말로 너무나도 기이한 존재이기 때문이다. 유명한 블랙홀 전문가이자 칼텍의 이론물리학자인 킵 손은 다음과 같이 말했다. “블랙홀은 유니콘과 가고일처럼 실제 우주보다는 공상과학과 옛날 신화의 영역에 더 어울리는 것처럼 보인다.” (본문 9페이지 중에서)

우리가 블랙홀이라 부르는 천체를 상상하다
미첼은 자신의 시나리오를 극한까지 밀고 나갔다. 그는 별의 질량이 아주 커서 마치 분수에서 솟아오른 물이 최대 높이에 이른 다음에 다시 아래로 떨어지는 것처럼 “모든 빛이…… 자신의 고유 중력 때문에 자신에게 되돌아가는” 때를 추정해보았다. 별에서 빛 미립자가 단 하나도 탈출하지 못하면, 그 별은 하늘에서 검은색 점처럼 영원히 눈에 보이지 않을 것이다. 미첼의 계산에 따르면, 이러한 변화는 별의 밀도가 태양과 같을 경우 그 지름이 태양의 약 500배에 이를 때 일어난다. 그런 별이 우리 태양계에 있다면, 그 가장자리는 화성 궤도 바깥까지 뻗을 것이다. (본문 36페이지 중에서)

뉴턴, 날 용서해 주세요
아인슈타인의 관점에서 바라볼 때, 공간은 그저 텅 빈 상태가 광대하게 펼쳐져 있는 곳이 아니라, 끝없이 펼쳐진 일종의 고무천처럼 물리적 실체를 갖고 있다. (중략) 그 결과로 뉴턴의 텅 빈 상자는 갑자기 사라지고 말았다. 이제 공간은 시간이 시작된 이래 사람들이 죽 상상해온 것처럼 아무활동도 일어나지 않는 텅 빈 장소가 아닌 것으로 밝혀졌다. 아인슈타인은 물리학에 새로 도입된 물리적 실체인 시공간이 대체로 우주에서 현실을 빚어내는 주역임을 보여주었다. 그는 자전적 글에서 자신의 이 업적을 돌아보면서 “뉴턴, 날 용서해주세요.”라고 썼다. (본문 64페이지 중에서)

현실 세계에서 그토록 기이한 천체는 생길 수 없다
1935년 1월 11일에 런던에서 열린 왕립천문학회 회의에서 찬드라세카르가 주장한 별의 극적인 붕괴 개념을 놓고 토론이 벌어졌을 때, 아서 에딩턴은 이 이야기를 듣고 불쾌한 나머지 악명 높은(자주 인용되는) 발언을 내뱉었다. “별이 이렇게 터무니없는 방식으로 행동하지 못하도록 막는 자연의 법칙이 분명히 있을 것이다!” 청중 사이에서 큰 웃음이 터져나왔다.
얼마 전에 왕립천문학회에서 자신의 논문을 발표하고 정중한 갈채까지 받았던 찬드라는 에딩턴의 이 신랄한 발언을 듣고서 경악했으며, 청중의 반응에 당혹감을 금치 못했다. 찬드라는 계산을 할 때 몇 주일 동안 에딩턴에게 조언을 구했는데, 이 위대한 과학자는 비판의 말을 단 한 마디도 하지 않았다. 심지어 찬드라에게 필요한 계산기를 구하는 데 도움까지 주었다. 에딩턴은 비열하게도 찬드라가 얻은 결과를 공격하기 위해 공적인 논의의 장이 마련될 때까지 기다린 것처럼 보이는데, 그럼으로써 그것을 천체물리학의 역사에서 가장 악명 높은 지적 대결 중 하나로 만들었다.(중략)
영국의 최고 권위자에게 조롱을 당한 일은 젊은 연구자에게는 과학적으로 치명적인 굴욕과 좌절을 안겨주었는데, ‘찬드라세카르 한계’가 천체물리학 교과서에서 기본적인 값으로 실리기까지는 20년 이상이 걸렸다. 그리고 (훨씬 뒤인) 1983년에 찬드라는 노벨물리학상을 수상했다. (본문 106~111페이지 중에서)

자신의 심연 속으로 붕괴하는 물질
오펜하이머와 스나이더는 별이 하나의 점, 즉 밀도가 무한대이고 부피가 0으로 압축된 특이점(존재 자체가 불가능해 보이는)으로 붕괴한다고 생각했다. 그들의 방정식은 이런 결과를 가리켰지만, 그들은 그것을 직접 말하길 망설였다. 왜냐하면, 특이점은 물리학자들에게 공포 그 자체였기 때문이다. 그것은 이 극단적인 조건에 맞닥뜨린 이론에 뭔가 잘못된 게 있으며, 계산에 사용한 수학이 물리학을 더 이상 유효하게 기술하지 못하는 영역에 들어섰다는 신호였다. (중략)
이렇게 난처한 상황을 감안해 오펜하이머와 스나이더는 그 정도 선에서 그치길 원했다. 그들이 보고한 것만 해도 충분히 기이했다. 베르너 이스라엘은 이렇게 평가했다. “이 분야에서 발표된 논문 중 가장 과감하고 불가사의할 정도로 예언적인 논문이었다……. 이 논문은 지금도 수정할 게 전혀 없다.” (본문 147~149페이지 중에서)

블랙홀이라 부르는 게 어때요?
1756년 6월, 인도 캘커타 후글리 강변에 위치한 영국군 주둔지 윌리엄 요새에서 영국인 남성 144명과 여성 2명이 벵골 태수 시라지 우드-다울라의 군대에 포로로 붙잡혔다. 한 역사학자에 따르면, 시라지의 부하들은 적어도 64명의 인질을 ‘블랙홀’이라는 작고 비좁은 방에 하룻밤 동안 가두었다고 한다. 무덥고 숨 막히는 그날 밤의 악몽에서 살아남은 사람은 20명을 넘지 않았다고 한다. 이 끔찍한 사건 이후 ‘블랙홀’이란 단어는 일단 들어가면 절대로 나올 수 없는 감금 장소를 가리키는 뜻으로 쓰였다.
휠러는 전파 펄서가 발견된 후 NASA고더드우주연구소가 1967년 가을에 신속하게 뉴욕 시에서 개최한 학회에 자신이 참석해 ‘블랙홀’이란 용어를 처음 사용했다고 반복해서 말했다. 그 불가사의한 신호는 적색거성이나 백색왜성, 중성자별에서 날아오는 것일까? 휠러에 따르면, 그곳에 모인 천문학자들 앞에서 그것은 자신이 주장했던 “중력 붕괴가 일어난 천체”일지 모른다고 말했다고 한다. “내가 그 용어를 네댓 번 사용했을 때, 청중 속에서 누군가가 ‘블랙홀이라 부르는게 어때요?’라고 말했다. 그래서 나는 그 용어를 채택했다.” (본문 243~244페이지 중에서)

스티븐 호킹과 킵손의 내기
백조자리 X-1이 블랙홀이라는 전망은 흥미진진하면서도 많은 논란을 낳았다. 논란의 열기가 얼마나 뜨거웠던지 스티븐 호킹과 킵 손이 1974년 12월에 칼텍에서 내기를 걸기까지 했다. 유명해진 이 내기에서 호킹은 백조자리 X-1이 블랙홀이 아니라는 데, 손은 블랙홀이 맞다는 데 걸었다. 각자 미국과 영국의 선정적인 잡지를 걸고 종이 위에 손으로 쓴 그 내기 계약서의 내용은 다음과 같다. “스티븐 호킹은 일반 상대성 이론과 블랙홀에 투자를 한 것이 많아 보험을 들길 원하고, 킵 손은 보험 없이 위험하게 사는 쪽을 선호한다. 그러므로 스티븐 호킹은 백조자리 X-1에 찬드라세카르 한계를 넘는 질량의 블랙홀이 없다는 쪽에, 킵 손은 있다는 쪽에, 각각 펜트하우스Penthouse 1년 치 구독권과 프라이비트 아이Private Eye 4년 치 구독권을 걸고 내기를 하기로 한다.”(중략)
손은 1990년에 이르러 백조자리 X-1은 블랙홀일 가능성이 점점 더 높아져 그 확률이 95%까지 치솟았다고 말했다. 그것은 호킹이 패배를 인정해도 이상하지 않을 만큼 충분히 높은 확률이었다. 손은 그때 일어난 일을 이렇게 이야기했다. “1990년 6월의 어느 날 밤, 나는 모스크바에서 러시아인 동료들과 함께 연구를 하고 있었다. 그때 스티븐 호킹과 그 가족들과 친구들이 칼텍의 내 사무실에 난입해 내기 계약서가 보관된 액자를 발견하고는, 그 위에 패배를 인정하는 쪽지를 호킹의 지장과 함께 남겼다.” (본문 175~176페이지 중에서)

매 순간 새로운 블랙홀이 태어나고 있다
별만 한 크기의 블랙홀은 별의 생애에서 또 하나의 가능한(비록 드물긴 하지만) 종착역이다. 별 1000개 중 하나는 사건의 지평선 너머에 그 모습을 숨기면서 종말을 맞이하는 것으로 추정되는데, 그렇다면 우리은하 안에만 그런 블랙홀이 1억 개나 있다는 계산이 나온다. 초침이 한 번 재깍거릴 때마다 우주 어딘가에서 새로운 블랙홀이 태어나고 있다. (중략)
새 장은 2015년 9월 14일에 날아온 아주 짧지만 매력적인 노래로 시작되었다. 그날 꼭두새벽에 두 LIGO 관측소에서 동시에 지구를 지나가는 중력파가 기록되었다. 역사상 최초의 사건이었다. 그 신호는 10분의 몇 초 동안만 지속되었다. 초당 30사이클 ? 아주 낮은 저음 ? 로 시작했다가 빠르게 높아지면서 초당 약 250사이클로 올림가 음 또는 나 음까지 올라갔다. 그것은 LIGO 과학자들의 귀에는 음악처럼, 수십 년 동안 듣길 간절히 소망해온 교향곡처럼 들렸다. (중략)
2015년 9월 14일 새벽에 포착된 중력파는 두 블랙홀 자체에서 나온 직접적이고 집단적인 고함소리였다. 그것은 “여기 우리가 있어, 여기 우리가 있다고!”라고 외치는 소리였다. (본문 315~316페이지 중에서)

블랙홀만큼 ‘핫한’ 천체가 또 있을까? 오랫동안 물리학계의 커다란 논란거리였으며 오늘날엔 대중의 관심을 모으는 인기 연구주제이기도 하다는 점을 상기한다면, 블랙홀은 어떤 의미로는 태양 못지않게 뜨거운 천체라 할 수 있을 것이다. 소수의 천체물리학자들만이 블랙홀이 존재한다고 주장하던 시대는 훌쩍 지나가고, 어느덧 우리는 중력파 검출 소식마저 접했다. 즉 현대의 연구자들과 최첨단 장비는 지구에서 약 13억 광년 떨어진 두 블랙홀이 충돌할 때 발생한 신호까지 이미 탐지해낸 것이다. 그러나 블랙홀에 대한 지식이 일반적인 것으로 받아들여지기까지는 결코 순조롭지 않은 여정이 있었다. 1780년대에 블랙홀 개념의 전신이라고 할 만한 것이 학계에 등장한 이후 20세기 후반에 관측을 통한 증거를 얻기까지, 학자들은 ‘기이한 천체’에 대해 길고도 격렬한 논쟁을 벌였다. 그렇다면 블랙홀의 존재를 둘러싸고 그들이 그토록 열띤 논쟁을 이어갔던 이유는 무엇일까? 그 답을 이 책 《블랙홀의 사생활》이 들려준다.