KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-04-05

블랙홀에 빠지면 건강에는 좋지 않겠지만, 최소한 경치는 볼만할 것이다. 새로운 모의실험을 통해 블랙홀의 중앙 특이점으로 향할 때 보게될 모습이 밝혀졌다. 이번 연구는 블랙홀에서의 물질과 에너지의 역설적인 운명을 물리학자들이 이해하는데 도움이 될 것이다. 콜로라도대(University of Colorado)의 앤드류 헤밀턴(Andrew Hamilton)과 거빈 폴레무스(Gavin Polhemus)가 중력을 시공간의 왜곡으로 설명하는 아인슈타인의 일반상대성 이론의 방정식을 토대로 컴퓨터 코드를 제작했다. 이들은 태양 질량의 5백만 배에 달하고 대략 우리 은하의 중심에 있는 구멍과 같은 크기인 거대 블랙홀 속으로 급강하하는 궤도에 있는 가상 관찰자의 운명을 추적했다.

관찰자가 블랙홀에 접근함에 따라, 블랙홀을 포함하고 있는 은하에서 검은 원이 뜯겨져 나가 사상지평선(event horizon)이 만들어진다. 사상지평선 너머에서는 블랙홀의 지배력으로부터 그 어떤 것도 탈출할 수 없다. 블랙홀 바로 뒤에 있는 별에서 나오는 빛은 지평선에 의해 삼켜지지만, 그 밖의 다른 별들로부터 나오는 빛은 블랙홀의 중력에 의해 구부러져 블랙홀 주변에 뒤틀린 영상을 형성한다. 멀리 떨어진 관찰자에게는 지평선의 크기가 1슈바르츠쉴드(Schwartzschild) 반경, 즉 이 블랙홀에 대해서는 1500만 킬로미터 정도로 보이지만, 관찰자가 접근함에 따라 지평선은 뒤로 물러나는 것처럼 보인다. 이 반경을 넘어선 후에도, 관찰자 앞에는 여전히 모든 빛을 삼키는 지점이 존재하고, 따라서 관찰자의 관점에서는 결코 지평선에 도달하지 못한다.

헤밀턴과 폴레무스는 시각화를 용이하게 하기 위해 지평선 위에 빨간 격자를 칠했다. 지평선은 구면이므로, 격자 위의 원 2개는 중앙 블랙홀의 북극과 남극을 나타낸다. 관찰자가 1쉬바르츠쉴드 반경을 지나갈 때 또 다른 인위적 시각보조물이 나타난다. 관찰자 주위에서 고리 모양을 이루는 이 흰색 격자는 멀리 떨어진 관찰자가 판단하는 지평선의 위치를 표시한다. 이곳은 관찰자가 지평선을 통해 자신을 따라 온 다른 사람들이 추락하는 것을 보게 되는 곳이다. 가장 이상하게 보이는 것은 관찰자의 마지막 순간을 위해 남겨져 있다. 블랙홀의 중심에 너무 가까운 관찰자는 강력한 기조력(tidal force)를 느낀다. 만일 관찰자가 발부터 빠지고 있다면, 관찰자 머리에 가해지는 중력은 발보다는 훨씬 더 약하다. 그러한 힘은 실제 관찰자를 분해할 것이고, 관찰자 주위의 추락하는 빛에도 영향을 준다. 관찰자의 머리 위로 오는 빛은 늘어나서 스펙트럼의 적색 끝으로 이동된다. 결국 아무것도 없는 것으로 적색이동되고, 그 결과 관찰자의 전체 시야는 지평선 고리 속으로 압착될 것이다.

이러한 과정은 블랙홀 수수께끼에 약간의 힌트를 줄지도 모른다. 양자계산의 결과들은 블랙혹 내부에 너무 많은 복잡도가 존재한다는 것을 나타내는 것 같다. 초기연구에서 연구진은 외부 관찰자가 측정한 것보다 훨씬 더 많은 엔트로피(무질서의 척도)가 블랙홀 속에 만들어지는 것이 가능할 것이라고 계산했다. 이것은 오래된 블랙홀 정보 역설(black hole information paradox)의 과급 버전과 닮아있다. 이 역설은 블랙홀에 떨어지는 물체 및 정보가 파괴되는 것이 양자정보는 결코 손실될 수 없다고 주장하는 양자역학에 모순된다는 내용이다.

문제는 우리가 공간에 대한 고지식한 개념을 갖고 있으며, 그러한 개념이 블랙홀 내부에서는 맞지 않을 수 있다는 점이다. 전체 엔트로피를 계산하기 위해서, 폴레무스는 공간의 서로 다른 지점에서 물질과 에너지가 취할 수 있는 모든 가능한 상태들에 대해 관찰자가 이해할 수 있다고 가정했다. 그러나 다른 이론가들처럼, 그들은 국부성(locality)이라고 하는 이러한 통상적인 가정이 블랙홀 내부에서는 적용되지 않는 것이 아닌가라고 의심하고 있다. 어쨌던, 공간의 서로 다른 지점들은 동일한 상태를 공유하는 것처럼 보인다. 그렇지만 왜 그런지는 분명치 않다. 그것이 이번 연구와 같은 시각화가 도움이 될 수 있는 부분이다. “특이점 가까이에서는, 완전한 3차원 우주가 2차원 표면 속으로 압착되는 것 같다.”라고 헤밀턴은 말한다. 그렇지만 2차원적 시각이 좀 더 기본적이라는 암시인지는 아직 분명하지 않다. “심오한 의미가 있는 것인가? 나는 모른다.”라고 헤밀턴은 말한다.