"블랙홀은 대머리"…아인슈타인 가설은 옳았다[과학을읽다]

미 플래티론 연구소, 최근 시뮬레이션 결과 '자기장' 문제 해소

The Event Horizon Telescope captured this image of the supermassive black hole in the center of the galaxy M87. (Image credit: EHT Collaboration)

[아시아경제 김봉수 기자] 앨버트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 통해 예측한 '블랙홀(Black hole)은 대머리(no-hair)'라는 가설이 옳았음이 최근 재차 입증됐다.

4일 우주전문 매체 스페이스닷컴에 따르면, 미국 뉴욕시 소재 플래티론연구소 전산천체물리학센터의 과학자들은 지난달 27일 이같은 내용의 논문을 국제 학술지 'Physical Review Letters'에 발표했다.

블랙홀은 중력이 너무 강해 심지어 빛까지도 빨아들이는 천체로, 다크스타(Dark Star), 프로즌스타(Frozen Star) 등으로 불리다 1960년대 이후 '블랙홀'이라는 이름이 널리 사용되고 있다.

1915년 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표하면서 정의했다. 특히 아인슈타인은 블랙홀이 질량, 회전, 전하에 따라 구분될 뿐 다른 물리적 성질은 모두 같다고 예측했다. 과학자들은 아인슈타인의 이같은 정의를 대머리, 즉 무모 정리(no-hair theorem)라고 부른다. 다른 천체들은 질량이 같더라도 크기에 따라 표면 중력이나 평균 밀도도 달라지지만, 블랙홀은 이 세가지 물리량으로 모든 것이 결정된다. 사람의 머리카락처럼 서로 구분할 수 있는 독특한 성질이 거의 없다는 뜻에서 붙여진 이름이다. 블랙홀이 프랑스에서는 여성의 성기를 뜻하는 은어로 사용됐다는 점에서 다소 성적인 은유가 내포돼 있기도 하다.

그러나 무모 정리에는 걸림돌이 하나 남아 있었다. 바로 자기장이다. 아인슈타인의 정의가 유효하려면 블랙홀은 어떤 것을 삼키더라도 성질이 달라져서는 안 된다. 하지만 블랙홀들은 어떤 물체를 흡수할 때 자기장을 발생시키며, 또 주변에 자기장을 유지할 수 있는 플라즈마 구름을 생성한다. 만약 블랙홀이 오래 지속되고 있는 자기장을 갖고 있다면 질량, 회전, 전하만이 블랙홀의 특징을 결정한다는 아인슈타인의 정리는 깨지고 만다.

하지만 최근 미 뉴욕시 소재 플래티론 연구소의 시뮬레이션 결과 블랙홀 주변의 자기장들은 빠른 속도로 나타났다 흩어지는 등 변화하는 등 진화(evolve)한다는 사실을 확인했다. 또 이런 이유로 자기장에 의해 활성화된 플라즈마 주머니들이 만들어져 거품처럼 부풀어 오르고 우주 공간으로 방출되거나 블랙홀로 흡수된다는 것도 발견했다. 특히 아인슈타인의 대머리 블랙홀 이론을 구한 것은 이 과정에서 자기장이 완전히 사라지기 전까지 매우 빠른 속도, 즉 광속의 10% 정도로 신속하게 배출된다는 사실이었다.

바트 리퍼다 플래티론 연구소 연구원은 "기존 과학자들은 블랙홀을 진공 상태로 여겼기 때문에 이런 생각을 하지 않았다"면서 "그러나 실제로는 종종 (블랙홀 주변에)플라즈마가 있고 플라즈마는 자기장을 유지하고 일으킬 수 있으며 그것은 무모 이론과 맞아 떨어진다"고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr