호킹의 ‘원시블랙홀’ 가설 검증할 수 있을까?

우주 초기 물질밀도 쏠려 만들어졌을 가능성

항성 유래와 다른 기원 블랙홀 존재할지 주목

미 연구진, 원시 블랙홀 검증할 방법·기준 제안

블랙홀 충돌때 나온 ‘중력파 값’으로 검증 가능



블랙홀의 일반적인 상상도. 미항공우주국(NASA) 제공

블랙홀은 흔히 거대 질량의 항성(별)이 자기 중력을 견디지 못해 붕괴하면서 생긴다고 알려져 있다. 그런데 스티븐 호킹과 동료 연구진은 1970년대 초반에 블랙홀은 우주에 별들이 출현하기 이전 시대에도 존재했으리라는 가설을 제시한 바 있다. 항성 이전 시대의 ‘원시 블랙홀’이다. 하지만 원시 블랙홀의 존재를 확인할 방법은 지금까지 없었기에 호킹 가설은 확인하기 어려운 가설로 남아 있었다.

최근 우주에서 날아오는 중력파 신호를 검출해 아주 먼 곳에서 일어난 블랙홀 충돌과 병합 사건들을 관측해 역추적하는 게 가능해지면서, 앞으로 미약한 중력파 신호까지 검출할 수 있다면 우주대폭발(빅뱅) 직후에 생겼을지도 모를 원시 블랙홀의 존재를 확인해주는 증거를 찾을 수 있다는 새로운 주장이 나왔다. 최근 물리학술지 <피지컬 리뷰 레터스(PRL)>에 낸 논문에서, 미국 브라운대학 등 소속 물리학자들은 지상에서 검출된 중력파에서 얼마나 멀리 떨어진 곳에서 멀어지고 있는지를 보여주는 값인 이른바 ‘적색편이’ 값이 “40”보다 크다면 원시 블랙홀의 존재를 보여줄 증거의 자격이 된다고 주장했다.

연구진의 계산에 의하면, ‘적색편이 값 40’에 해당하는 우주 시간은 ‘빅뱅 직후 6500만 년’이다. 즉 적색편이 값 40 이상은 빅뱅 직후 6500만 년 이전 시기를 가리키는데, 이 시기는 아직 항성(별)들이 생겨나기 전의 시대에 해당한다. 그러므로 적색편이 값이 40보다 큰 중력파라면 그것은 항성 이전 시대에서 날아온 원시 블랙홀 병합 사건의 신호라는 것이다. (적색편이 값이 0보다 크면 파장이 원래보다 길어졌음을 뜻하며 이는 곧 물체가 멀어지고 있음을 의미한다.)

이런 기대는 중력파 검출이 점점 더 잦아지면서 높아지고 있다. 최근에도 언론의 조명을 받지는 못했지만 여섯 번째 중력파가 검출됐다는 발표가 나왔다. 지상 최대의 중력파 검출 장치인 미국 라이고(LIGO)의 연구단은 지금까지 검출된 것 중에서 가장 작은 신호인 여섯 번째 중력파(GW170608)를 검출했다고 최근 밝혔다. 지난 여름에 포착된 이 중력파의 파동 특성을 분석해보니 이 신호는 작은 두 블랙홀의 충돌과 병합 사건을 보여주는 것으로 분석됐다. 다음은 지금까지 관측된 중력파 신호들을 정리한 그림이다.

지금까지 지상에서 검출된 중력파들. 먼 과거의 우주에서 날아온 두 블랙홀 또는 두 중성자별이 충돌, 병합할 때 일어난 거대한 중력장 격동이 중력파를 만들어내고 그것이 지상에서 포착된다. GW170608이 가장 최근인 2017년 6월 8일에 검출된 중력파. LIGO 제공라이고는 현재 검출 장비의 성능 향상 작업을 벌이느라 가동 중지 중이며 내년 가을께 성능을 높인 검출 장비가 다시 중력파 검출에 나설 예정이다.

이번에 <피지컬 리뷰 레터스>에 논문을 낸 연구진은 이처럼 앞으로 미약한 중력파를 정교하게 검출하는 게 가능해지면서 가설로만 남아 있던 우주 초기의 원시 블랙홀에 관한 가설을 검증할 수 있을 것이라며 그 검증 방법과 기준을 제안했다는 점에서 눈길을 끌고 있다. 과연 빅뱅 직후의 우주 원시 블랙홀은 관측 가능할까? 언제쯤 가능해질까?

다음은 이들이 검증하고자 하는 원시 블랙홀의 가설을 요약해 소개한 브라운대학의 보도자료 일부다.

“그 가설은 이렇다. 우주대폭발(빅뱅) 직후, 양자역학적 요동으로 인해 오늘날 우리가 팽창하는 우주에서 관측하는 우주 물질의 밀도 분포가 만들어졌다. 그런데 그런 밀도의 요동들 중 일부는 너무 커서 우주에 흩뿌려진 채로 남은 블랙홀이 됐을 수 있다는 견해도 제시된다. 이른바 원시 블랙홀이다. 이런 원시 블랙홀은 1970년대 초 스티븐 호킹과 동료 연구진에 의해 처음 제안됐다. 그러나 지금까지 검출된 적은 없다. 원시 블랙홀이 존재하는지는 아직 확인되지 않고 있다.” (브라운대학 뉴스 자료)

그런 원시 블랙홀의 존재 여부가 미래의 중력파 검출 기술이 향상되어 적색편이 값 40보다 큰 블랙홀 충돌 중력파가 검출된다면, 그것은 곧 원시 블랙홀에서 나온 것으로 판단할 수 있다는 검증 방법을 이번 연구진이 제시한 것이다.

“우주론 연구자들은 적색편이 값을 이용해 어떤 우주 사건이 얼마나 먼 과거에 일어났는지를 측정한다. 적색편이는 우주가 팽창하며 생겨나는 빛 파장의 늘어짐 현상을 말한다. 사건이 발생한 시간이 먼 과거일수록 적색편이 값은 더 커진다. 이 논문에서 연구진은 블랙홀이 항성 붕괴에 의해 생겨난다는 이론을 받아들인다면 더 이상 블랙홀 합병 사건이 검출될 수 없는(블랙홀을 만들 항성이 존재하기 이전의 우주 시대를 보여주는) 적색편이의 문턱값을 계산해냈다. 연구진은 블랙홀이 항성에서만 생겨난다고 본다면 빅뱅 이후 6500만 년 지난 시간대에 해당하는 적색편이 값 40에선 블랙홀 병합 사건이 1년에 1건 이하로 검출될 수 있음을 입증해 보여준다. (이에 따르면) 적색편이 값 40 이상에선 그런 사건은 전혀 나타나지 않아야 한다. 연구진은 ‘적색편이 값 40 안팎은 절대적으로 확실한 경계선 또는 단절(컷오프) 지점’이라고 말했다.” (브라운대학 뉴스 자료)

그러므로 이 연구진의 주장을 따르면, 만약 미래의 중력파 검출 장치에서 ‘적색편이 값 40을 넘는 파장 특성의 중력파’가 검출된다면 주목할 만한 일이 된다. 

그런 중력파가 검출되면 그 의미는 ‘둘 중 하나’라고 연구진은 말한다. 하나는 원시 블랙홀의 존재가 입증되었다고 말할 수 있다는 것이며, 그게 아니라면 빅뱅 직후 우주가 현재 우주론 표준모형으로 설명할 수 없는 아주 다른 상태였다고 말할 수 있다는 것이다. 그런 중력파 검출이 언제일지 모르고 또한 실제로 검출될지도 모르지만, ‘적색편이 값 40 이상의 중력파’가 검출되면 그것은 원시 우주와 블랙홀에 대한 여러 과학적 설명을 바꿀 큰 발견이 될 만하다. 더욱이 원시 블랙홀은 아직 정체를 알지 못하면서도 우주 물질의 많은 부분을 차지하는 암흑물질을 설명하는 데에도 중요한 단서가 될 것으로 여긴다는 점에서도 주목을 받는다.