Correlation between black holes and dark matter

Correlation between black holes and dark matter

안녕하세요? 오늘은 블랙홀과 Dark matter의 상관관계에 대해 이야기해보겠습니다. 100년에 이르는 꽤 긴 세월 동안 블랙홀은 이론적으로만 상상할 수 있는 일종의 허구였습니다. 그런데 1960년대에 들어서 강력한 엑스선을 뿜어내며 변동이 극심한 흥미로운 물체들이 발견되기 시작했습니다. 사람들은 다른 물체로부터 물질을 빨아들여 몸집을 불리는 이 천체들이 블랙홀과 흡사하다는 것을 깨달았습니다. 블랙홀에 빠진 물체는 계속 가열되다가 최후의 발악으로 전자기 방사선 형태인 엑스선, 적외선 등을 뿜어냅니다. 오늘은 블랙홀과 Dark matter에 대해 자세히 이야기해 보겠습니다.

이벤트 호라이즌 망원경

The mass of the black hole in the center of our galaxy

블랙홀의 존재는 이렇게 세상에 알려지게 되었습니다. 바로 지난해 Reinhard Genzel과 Andrea Ghez가 우리 은하 중심에 있는 블랙홀의 질량을 측정해서 노벨상을 받았습니다. 이들이 관철한 은하 중심은 주변 별들이 공전하지만 아무것도 존재하지 않고 보이지 않는 공간입니다. 이들은 그 중심에 태양 질량의 400배에 달하는 블랙홀이 존재한다는 사실을 증명해 냈습니다. 나는 블랙홀의 존재에 언제나 흥미를 느꼈습니다. 블랙홀은 엑스선을 대거 방출하기 때문에 엑스선으로 아주 뚜렷하게 관측됩니다. 엑스선 망원경으로 하늘을 관측하면 수많은 블랙홀을 볼 수 있습니다. 블랙홀 이야기는 여기까지 하고 이제 Dark matter로 넘어가 보겠습니다. 처음에 Dark matter는 블랙홀과 아예 무관한 존재로 여겨졌었습니다. Dark matter가 주목받게 된 건 은하계의 별들과 은하들이 예상보다 훨씬 더 빠르게 움직인다는 사실이 밝혀지면서부터였습니다. 은하계 별들의 질량을 합한 뒤 움직이는 속도를 계산해 보면, 별들의 질량 총합만으로는 별들을 제자리에 묶어둘 수 없다는 결론이 나옵니다. 원심력과 구심력의 영향으로 궤도를 도는 물체는 그 궤도를 벗어나려고 합니다. 실제로 은하계의 별들은 원래 가능한 속도보다 다섯 배는 더 빨리 돌고 있습니다. 은하를 결집시켜 은하단에 매어두는 보이지 않는 물질의 존재 가능성은 이미 1930년대부터 대두되었습니다. 그 물질이 Dark matter로 불리게 된 이유는 중력에 의해서는 증명할 수 있지만 광학적으로는 관측할 수 없기 때문이었습니다. 지난 수십 년간 사람들은 Dark matter의 정체를 밝히려고 부단히 노력해 왔습니다. 중력 렌즈 효과 같은 현상이 만들어져 은하단 뒤의 은하를 확대된 상으로 관측하고 그 안에 있는 Dark matter의 양과 분포 등을 꽤 정확히 측정할 수도 있었습니다. 그러나 Dark matter이 어떤 입자로 구성되었는지 우리는 알지 못합니다. 블랙홀에 대해서도 마찬가지입니다. 블랙홀을 둘러싼 몇몇 현상 역시 의문으로 남아 있습니다. 어떤 블랙홀은 의외의 시공간에 존재합니다. 우주 생성 초창기부터 질량이 꽤 나가는 블랙홀이 존재하기는 했지만 그중에 몇몇은 예상을 벗어난 시공간에 존재하는 것으로 확인되었습니다. 최근에는 우리 태양계에 블랙홀이 존재할지도 모른다는 주장이 나왔습니다. 태양계 행성으로 추정되는 행성 X는 아마도 블랙홀일 가능성이 있습니다. 한편 거대 블랙홀이 합쳐지면서 발생하는 중력파도 여전히 풀리지 않는 퍼즐 조각입니다. 아무것도 생성되지 않은 우주 초창기에 여러 규모의 블랙홀이 만들어졌다는 가설이 새롭게 등장하면서 이제 블랙홀과 Dark matter은 떼어 놓을 수 없는 관계가 되었습니다. 블랙홀이 Dark matter 근원의 후보로 떠오른 것입니다. 어쩌면 Dark matter과 블랙홀은 같은 것일 수도 있습니다.

Image credit: SpieTheAce on Pixabay

Dark matter는 우주의 접착제 같은 것일까요?

큰 틀에서 보면 Dark matter과 블랙홀이 은하들을 결집시키고 붙드는 것이 맞습니다. 그러나 우주 전체를 붙들고 있다고 보기에는 조금 힘듭니다. 10여 년 전 새롭게 발견된 암흑 에너지의 존재 때문입니다. 암흑 에너지는 Dark matter에 대항하는 힘입니다. Dark matter이 끌어들이는 힘이라면 암흑 에너지는 밀어내는 힘입니다. 결국에는 암흑 에너지가 Dark matter보다 강력해져서 우주 전체가 더 멀리 확장하게 됩니다. 따라서 은하는 오늘보다 내일 더 빠르게 팽창할 것입니다. 은하가 스스로 팽창하는 것은 아닙니다. 은하계 별들과 은하단 속 은하들이 스스로 흩어지는 것도 아닙니다. 그러나 큰 틀에서 보면 우주는 계속 자라나고 팽창합니다. 그것이 암흑 에너지 때문일까요? 그럴 가능성이 큽니다. 흔히 사람들은 태초에 빅뱅이라는 대폭발이 있고 그것이 끝이라고 생각했지만, 은하를 밀어내는 힘은 여전히 작동하고 있습니다. 말하자면 빅뱅은 지금도 이어지고 있으며 은하를 밀어내는 힘이 그 속도를 높이고 있습니다. 어쩌면 그것이 암흑 에너지의 존재 이유일 수도 있고, 암흑 에너지가 우주 팽창의 이유일 수도 있는 것입니다. 지금까지 우주 팽창에 대해서 이야기했습니다. 앞으로는 우주 과학의 미래에 대해서 이야기해볼 것입니다. 오늘의 우주이야기는 여기까지입니다. 다음에 또 유익한 우주 이야기로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.