제1부 별의 죽음에 관한 논쟁
- 블랙홀 이론의 개척자 찬드라세카르
1935년 1월 11일, 영국천문학회 모임에서 찬드라는 획기적인 이론을 발표한다. 별이 연료를 다 태우고 나면 자기 안으로 무한히 붕괴하여 사라질 수도 있다는 내용이었다. 20세기 중반까지도 과학자들은 별이 빛을 다하면 폭발하여 작은 파편이 되어 사라지거나 작고 밀도가 높은 불활성(不活性) 돌이 된다고 생각했다. 이렇게 빛을 잃고 사라져가는 희미한 별들이 바로 하얀난쟁이별이다. 찬드라는 이런 하얀난쟁이별의 질량에 상한선(일명 ‘찬드라세카르 한계’로 태양 질량의 1.4배)이 있어, 그 상한선을 넘어갈 경우 별은 자신의 중력 안으로 무한히 붕괴한다는 사실을 수학적으로 계산해냈다. 그는 이 생각을 5년 전 인도에서 영국으로 건너오는 배 위에서 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 이용해 단 10분 만에 증명해냈다.

- 식민지 출신 ‘애송이’ 과학자를 무시한 에딩턴과 영국 천체물리학계
부푼 가슴으로 발표를 마친 이 젊은 과학도는 뜻밖에도 천체물리학계의 최고 권위자 에딩턴에 의해 무참히 짓밟혔다. “자기들이 누리는 특권적인 삶의 권리를 완전히 확신하던 시대의 인물(83쪽)”이었던 에딩턴은 자신의 기반 이론을 위협하는 인도 출신 ‘애송이’의 견해를 귀담아 들을 생각이 전혀 없었다. 에딩턴의 권위에 눌린 다른 과학자들도 오류를 알면서도 에딩턴의 견해를 맹목적으로 지지했고, 심지어 찬드라의 친구들조차도 사적으로는 찬드라를 격려했지만 누구 하나 공식적으로 지지 입장을 표명하지 않았다.

사실 찬드라는 케임브리지로 온 이후 줄곧 보이지 않는 차별과 수모를 겪어왔다. 인도에서는 명문 프레지던시 칼리지에 다니며 노벨상 수상자인 삼촌 라만의 실험실을 드나들고, 인도를 방문한 조머펠트에게 조언을 구하고 하이젠베르크를 직접 수행할 정도로 뛰어난 학생이었지만, 케임브리지에서는 인종적인 편견과 무관심, 당시 과학계의 정치적인 싸움에 시달려야 했다. 특히 찬드라에게 관심을 보였던 거의 유일한 인물인 에드워드 아서 밀른은 에딩턴, 진스와의 물고 뜯는 싸움에서 승리하기 위해, 찬드라에게 자기 이론에 반하는 연구를 그만두고 자기가 지정한 주제를 연구하라고까지 했다.

- ‘모든 것’을 설명하는 이론을 정립하려는 에딩턴의 야심
1935년 1월의 운명적인 그날 이후 찬드라와 에딩턴의 대립은 한동안 계속되었다. 에딩턴은 찬드라의 수학에는 이의가 없지만, 물리학은 맞지 않는다는 이상한 주장을 계속 펼쳤다. 찬드라의 물리학이 정면으로 대립하는 두 이론, 곧 상대성 이론과 양자 이론의 결합에 바탕을 둔 것이었기 때문이다. 당시 세계에서 아인슈타인 다음으로 상대성 이론에 정통했던 에딩턴은 고집스럽게도 찬드라 이론의 근거인 ‘상대성 퇴화’라는 개념을 받아들이려 하지 않았다.

- 미국이라는 모험
찬드라는 이런 논쟁을 겪으며 거인들의 전투에서 살아남은 또 한 명의 거인으로 성장했다. 그는 케임브리지에서 강의를 한 최초의 인도인이 되었고, 미국의 하버드 천문대에서 강의를 해줄 것을 제안받았다. 케임브리지의 보수적이고 배타적인 분위기에 넌더리가 난 그는 1935년 말에 미국으로 건너갔다. ‘신세계’에서 그는 성공에 성공을 거듭했다. 그를 초청한 하버드는 물론, 시카고 대학교의 여키스 천문대에서도 연구원 자리를 제안했다. 결국 그는 자신을 인정하고 환영해준 미국에서 새로운 삶을 시작하기로 결심하고, 여키스 천문대로 자리를 옮겼다.

1939년 파리에서 열린 국제 천문학 콜로키엄에서 찬드라와 에딩턴의 마지막 대결이 있었다. 두 사람은 또 한 차례 극단적인 대립을 보였지만, 당시의 찬드라는 이미 케임브리지 시절의 잔뜩 주눅이 든 애송이 과학자가 아니었다. 찬드라는 삼촌 라만의 추천으로 1944년에 영국학술원 특별 연구원으로 선출되었고, 1948년에는 노벨상 후보로 추천하자는 이야기가 나오기도 했다. 그러나 찬드라의 발견이 제대로 인정받기까지는 아직 시간이 더 필요했다.

제2부 핵무기 개발과 별의 물리학
- 별에 대한 새로운 이해
과학계에서 거부되었던 찬드라의 이론이 다시 제자리를 찾는 데는 핵물리학이 큰 역할을 했다. 핵물리학은 1932년 중성자의 발견으로 시작되었는데, 스위스 태생의 물리학자 츠비키와 관측 천문학자 발터 바데는 중성자가 별을 이해하는 데 중요한 단초를 제공할 수도 있다는 사실을 깨달았다. 그들은 신성이 갑자기 타올라서 수십만 배나 밝아진 것을 초신성, 초신성 폭발 뒤에 남는 단단한 알맹이를 중성자별이라고 명명했다. 츠비키는 초신성이란 질량이 큰 별이 아주 강력한 힘으로 폭발하여 작지만 밀도가 대단히 높은 상태로 응축된 것이라고 결론지었다.

러시아에서는 란다우가 물리학의 입장에서 밀도가 높은 별의 알맹이(core)에 대한 연구를 계속했다. 그는 차가운 퇴화 물질로만 이루어진 별 모델을 만들어, 이런 종류의 별 중에서 태양 질량의 1.5배보다 큰 별들은 불안정하며 무한히 붕괴하여 무한히 밀도가 높은 한 점이 되려는 성향을 가질 것이라는 결론을 산출했다. 하얀난쟁이별의 질량에 대한 찬드라세카르의 한계를 다시 발견한 것이다. 그러나 란다우 역시 현실의 별들은 이런 성향을 보일 리가 없다고 즉시 선언했다.

1938년 3월 워싱턴에서 ‘별들은 어떻게 빛을 내는가’라는 주제로 학회가 열렸다. 모임에 초대된 사람 중에는 찬드라도 있었고, 핵에 양자역학을 적용해 알파 입자(헬륨 원자핵)가 우라늄 핵의 강력한 양전하가 만들어낸 장벽을 통과할 수 있음(터널링 이론)을 밝혀내고 그것을 별이 빛을 내는 방식에 적용한 가모브, 별의 내부를 구성하는 원소들의 핵이 극도로 높은 온도에서 터널링을 통해 서로의 내부로 들어가면서 일으키는 핵반응이 별에 동력을 공급한다고 제안한 후터만스와 앳킨슨 등 천체물리학과 물리학계에서 그 주제를 건드린 중요한 인물이 거의 다 모인 자리였다.

이 모임 이후 물리학자 한스 베테는 태양보다 질량이 크고 밝은 별들에 동력을 주는 핵반응이 수소를 태워 헬륨으로 바꾸는 과정이라는 것을 밝혀냈다.

- 찬드라의 발견을 실증한, 맨해튼 프로젝트의 총책임자 오펜하이머
그렇다면 별들이 수소를 다 태우고 나면 무슨 일이 벌어질까? 미국의 이론물리학자 오펜하이머가 핵물리학과 일반 상대성을 결합해 이 질문에 대한 답을 찾았다. 그의 작업은 질량이 큰 별들이 하얀난쟁이별이나 중성자별로 끝나거나 아니면 완전히 붕괴될 수도 있음을 보여주었다. 찬드라도 오펜하이머와 비슷한 주제를 연구한 적이 있었지만, 그는 에딩턴과 밀른에게서 보았던 파괴적인 싸움에 휘말리고 싶지 않아 고전적인 천체물리학의 방식에 따른 논문을 발표했고 물리학자들은 그 논문을 무시했다.

찬드라가 발견한 상한선을 넘어서는 질량의 하얀난쟁이별이 엄청난 밀도를 가진, 상상할 수도 없이 작은 점으로 줄어든다는 것이 실제로 가능한 일인가 하는 문제를 다룬 것 역시 오펜하이머였다. 오펜하이머와 스나이더는 일반 상대성 이론을 적용해 질량이 매우 큰 별들은 핵연료를 모두 태우고 나서도 최대 질량 한계 아래로 줄어들 수 없기 때문에 안정적인 중성자별을 만들어낼 수 없음을 알아냈다. 그리고 중력의 당기는 힘이 너무 강해서 아무것도, 심지어는 빛조차도 도망칠 수 없게 되는 지점인 슈바르츠실트 반지름이라는 개념을 받아들여, 특정한 조건 아래서 질량이 큰 별은 안으로 폭발해 슈바르츠실트 반지름보다 더 작아지고 주변의 공간을 잡아당겨 우리 눈앞에서 사라질 수 있다는 것을 밝혀냈다. 찬드라의 발견이 마침내 실증된 것이다.

그사이 전쟁의 어두운 구름이 유럽 대륙을 덮었다. 오펜하이머는 20세기 최대의 과학 기획의 관리자라는 일을 찾아냈다. 로스앨러모스에 본부를 둔 맨해튼 프로젝트가 그것이다. 그는 원자폭탄을 생산하기 위해 전 세계에서 인재를 모집했다. 찬드라도 1944년에 프로젝트에 참여하라는 편지를 받았으나 인종차별에 대한 두려움과 절차상의 문제로 그 제안을 거절했다.

- 별의 폭발을 모델로 한 수소폭탄의 개발
1950년대 찬드라의 새로운 주제는 유체역학과 자기 유체역학의 안정성에 대한 것이었다. 그는 엔리코 페르미의 도움으로 시카고 대학교 물리학과에 정식으로 임용되어 핵 연구소에서 일할 수 있게 되었다. 찬드라의 새로운 관심사는 원자폭탄 이후의 새로운 무기인 수소폭탄 개발을 개발하는 데 핵심적인 지식이었다. 중성자로 우라늄 핵을 쪼개 원자폭탄(분열폭탄) 개발의 길을 연 페르미는 분열폭탄이 수소 원자의 융합에 필요한 온도를 만들어 수소폭탄(융합폭탄)을 만들 수 있다고 생각했다. 융합폭탄은 별을 모델로 삼은 것이다. 별은 수소 핵들이 서로 융합하여 빛을 내기 때문이다. ‘슈퍼’라는 이름을 얻은 이 융합폭탄은 에드워드 텔러의 집착에 가까운 연구로 1952년에 마침내 완성되었다.

융합폭탄을 연구하던 또 하나의 집단인 프린스턴 심층 연구소의 휠러는 폭탄과 별 사이의 긴밀한 연관성을 잘 알고 있었다. 휠러는 매니악 컴퓨터를 이용해 질량이 매우 큰 별은 상상할 수도 없이 작고, 밀도가 높아질 때까지 움츠러든다는 사실을 증명했다. 그러나 휠러 역시 선뜻 그 결과를 받아들이지 못했다.

- 콜게이트의 초신성 연구와 중성자별의 발견
휠러의 결과를 부정할 수 없게 해준 것은 콜게이트의 초신성 연구였다. 콜게이트는 동료 화이트와 별의 폭발에서 중성미자가 하는 역할에 주목해, 컴퓨터 시뮬레이션으로 그것이 폭발이 일어나도록 돕는가를 알아보았다.

콜게이트는 휠러와 찬드라의 수학, 즉 별들이 실제로 밑도 끝도 없이 붕괴를 계속할 수 있다는 사실을 의심의 그림자를 말끔히 걷어낸 숫자로 입증했다. 그리고 1967년 수학적으로는 입증되었지만 여전히 가설로만 존재하던 중성자별이 천문학자들에 의해 마침내 관측되면서, 하얀난쟁이별 이외에 별이 죽어가는 다른 방식이 있다는 것이 사실로 받아들여졌다. 하지만 질량이 큰 별이 죽는 또 다른, 그리고 더욱 극적인 방법이 남아 있었다. 하얀난쟁이별이나 중성자별이 되지 않고 완전히 사라져버린다는 것, 이 말도 안 되는 일이 1970년대 초 마침내 가능한 것으로 보이기 시작했다.

제3부 블랙홀, 끝나지 않은 수수께끼
- 의심할 수 없는, 블랙홀의 존재
1966년에 콜게이트와 화이트가 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 별이 붕괴되는 실제 메커니즘을 탐구하던 무렵, 영국의 수학자 로저 펜로즈가 별이 사건의 지평선을 통과하여 사라지면 특이점에 이를 때까지 영원히 붕괴한다는 것을 위상 수학을 통해 증명했다. 그리고 1967년에 휠러가 붕괴된 별들이 빠져드는 공간 영역을 가리키는 ‘블랙홀’이라는 용어를 만들어냈다. 이제는 누구도 블랙홀의 존재를 의심하지 않았고, 연구의 속도는 더욱 빨라졌다. 찬드라도 블랙홀 연구에 합류하려고 노력했다. 그는 블랙홀의 구조와 전자기와 중력파 사이의 연관성을 탐구하기 위해 복잡한 계산으로 빠져들었다.

- 우울증과 끝없는 학구열 사이를 오갔던 찬드라의 말년
1970년대 후반, 찬드라는 자신의 블랙홀 연구 결과를 정리해서 책으로 만들기 시작했다. 하지만 그는 그것이 과연 가치가 있는가 하는 질문으로 자신을 괴롭혔다. 그는 노벨상을 제외한 모든 중요한 과학상을 다 받았지만, 하얀난쟁이별의 질량 상한선을 발견한 일을 제대로 인정받지 못한 것이 불만스러웠다. 1982년에 《블랙홀의 수학 이론》을 완성하고도 내내 우울증에 시달렸다. 1983년에 마침내 노벨상을 받았지만, 선정 이유가 ‘하얀난쟁이별의 구조 연구’였기 때문에 찬드라는 몹시 기분이 상했다. 그 자신의 입장에서 보면 평생을 바쳐 연구한 몸통이 빠져 있었던 것이다.

노벨상을 받은 사람들은 화려한 영접과 관리직으로 옮기라는 초대에 압도당해 연구를 포기하는 경우가 많지만 찬드라는 정반대였다. 그의 생산성은 결코 줄어들지 않았다. 생애의 마지막 즈음에는 뉴턴에 매료되어 《일반 독자를 위한 뉴턴의 프린키피아》를 출간하고, 모네의 그림과 일반 상대성에 대한 에세이도 완성했다. 동료들은 크게 놀랐다. “세상에 찬드라는 다음에 무엇을 할 생각인가? 어떻게 한 페이지 전체를 차지하는, 일반 상대성의 난해한 방정식들이 아름다울 수가 있단 말인가?” 찬드라의 대답은 이러했다.

- 찬드라 엑스선 망원경이 보여준 블랙홀의 신비
찬드라는 1995년 아내 랄리사가 지켜보는 가운데 임종했다. 찬드라가 죽고 4년이 지난 1999년 7월 23일 우주 왕복선 컬럼비아 호가 블랙홀을 찾는 임무를 띤 찬드라 엑스선 망원경을 싣고 발진했다. 찬드라 엑스선 망원경은 지금껏 두 블랙홀의 합체나 퀘이사에서 나오는 제트 기류, 은하계 중앙의 거대한 블랙홀 사수자리 A＊, 회전하는 블랙홀 등 우주에서 일어나는 다양한 현상을 우리에게 보여주었다.

블랙홀은 과학자들에게 우주에 대해 숨 막힐 듯한 전망을 열어주었다. 과학자들은 실험실에서 블랙홀을 만들기 위한 계획을 진행하고 있고, 블랙홀을 머나먼 은하계로 여행하는 문으로 사용할 수 있을까, 블랙홀이 시간 여행의 통로가 될 수 있을까와 같은 문제를 고민하고 있다. 이러한 생각들은 수학적인 기만이나 터무니없는 공상으로 보일 수도 있지만, 찬드라가 1980년 8월 아라비아 해에서 얻은 번득이는 영감도 그러했다. 찬드라의 순간적인 영감이 우주에 대한 우리의 관점을 근본적으로 변화시켰듯, 오늘날 과학자들이 하고 있는 ‘비현실적인’ 연구들도 언젠가는 우리에게 전혀 다른 세계, 전혀 다른 우주를 열어줄 것이다.