요약
지구 크기의 망원경으로 블랙홀을 찍은 연구진의 다음 목표는 블랙홀 동영상입니다.
천체물리학자 솁 돌먼이 Quanta Magazine의 팟캐스트 The Joy of Why에 나와 설명한 내용입니다. 그는 2019년 첫 블랙홀 사진을 공개한 사건 지평선 망원경(EHT) 컨소시엄의 창립 이사입니다.
왜 중요한가
- 간접 증거로만 확인하던 블랙홀을 이제 직접 찍어 이론과 비교할 수 있게 됐습니다.
- 지금까지 찍은 두 블랙홀의 크기가 아인슈타인의 예측과 오차 범위 안에서 일치했습니다.
- 고리 크기는 회전에 따라 약 4%만 달라지므로, 회전을 재려면 사진이 아니라 물질의 움직임을 봐야 합니다.
핵심 내용
- 전 세계 전파망원경의 관측 자료를 원자시계 시각에 맞춰 합치면 지구만 한 망원경처럼 쓸 수 있습니다.
- 필요한 해상도는 뉴욕에서 로스앤젤레스에 있는 동전의 날짜를 읽는 수준입니다.
- 연구진은 네 팀으로 나뉘어 따로 분석했고, 고리를 뺀 자료로 훈련한 알고리즘으로도 결과를 검증했습니다.
- 우리 은하 중심 블랙홀은 하룻밤 관측 중에도 모습이 바뀌어서 M87 블랙홀보다 찍기 어려웠습니다.
- 돌먼은 칠레, 멕시코, 와이오밍, 카나리아 제도, 탄자니아에 망원경을 더해 2030년대 초 동영상을 얻을 것으로 내다봤습니다.
HN 반응
- 일부 이용자는 사진이 기존 모델에 맞춰 만들어진 결과일 수 있다고 의심하며, 우리 은하 중심 블랙홀 사진이 틀렸다는 2024년 논문을 들었습니다.
- 블랙홀이 클수록 평균 밀도가 낮아진다는 댓글에는, 사건 지평선 안쪽은 보통 공간처럼 부피를 잴 수 없다는 반론이 나왔습니다.
정말 흥미로운 점은 블랙홀에 사실 무한한 밀도가 "필요하지는" 않다는 겁니다. 사건의 지평선 안쪽의 질량 밀도는 중성자별 수준을 넘지 않고, 오히려 블랙홀이 무거워질수록 낮아지기까지 합니다(사건의 지평선이 둘러싸는 부피가 질량보다 빠르게 커지니까요).
사건의 지평선 반지름은 질량에 비례해 커지기 때문에, 블랙홀의 밀도가 물보다 낮아질 수도 있습니다(태양 질량의 약 70억 배쯤). 또 하나 신기한 건, 관측 가능한 우주에 있는 보통 물질의 질량을 슈바르츠실트 반지름 식(R = 2GM/(c^2))에 넣으면 관측 가능한 우주보다 큰 블랙홀 사건의 지평선이 나온다는 점입니다.
하지만 그 밀도는 균일하지 않습니다. 중심부가 훨씬 더 조밀해요. 사건의 지평선을 넘을 때는 아무 일도 느끼지 못할 겁니다(블랙홀이 충분히 커서 조석력이 작고, 그래서 스파게티처럼 늘어나지 않는다면요). 하지만 중심에 가까워지면 상황이 아주 이상해지겠죠.
아마도요. 이걸 증명한 사람은 아무도 없지만 그럴 가능성이 높아 보입니다.
그래서... 뭐가 된다는 건가요? 우주가 블랙홀이라는 건가요? (그렇다면 그게 바꾸는 게 뭐라도 있습니까? 유한한 고유 시간 안에 닿게 되는 특이점이 있다는 건가요?)
아니면 우주는 블랙홀이 아니라는 건가요? 그렇다면 왜 아닌 거죠?
우주가 블랙홀이 아닌 이유는 "슈바르츠실트 반지름 식"이 아주 구체적이고 좁은 조건, 즉 평평한 시공간에서 진공에 둘러싸인 완벽한 구형의 비회전 질량에만 적용되기 때문입니다.
그 식을 우주의 관측 가능한 질량에 적용하면, 식을 쓰는 데 필요한 조건을 사실상 하나도 빠짐없이 어기게 됩니다.
대중과학 채널들이 이걸 맥락에서 떼어 내서 우주가 블랙홀 안에 "있을 수도" 있다, 심지어 "있다"고 주장하는 경우가 많죠. 하지만 물리학자가 아닌 제가 이해하기로는, 수학이 이렇게 맞아떨어지는 건 대부분의 물리학자에게 놀랍거나 흥미로운 일이 아니고, 우리가 블랙홀 안에 있다고 볼 만한 다른 근거도 없습니다.
아무 의미도 없을 것 같고, 그냥 재미있는 우연일 거라고 생각합니다. 그렇게 단순한 식은 우주 규모에 적용하면 아마 제대로 들어맞지 않을 겁니다.
> 사건의 지평선 안쪽의 질량 밀도
이건 제대로 정의된 값이 아닙니다. 그 숫자를 계산할 때는 지평선이 유클리드 공간에서 보통의 3차원 공 [수정했습니다, 손자 댓글 참고]을 둘러싼 보통의 2차원 구면이라고 가정하고, 블랙홀의 질량을 그 3차원 공의 계산된 부피로 나눕니다. 하지만 블랙홀의 시공간은 그런 식으로 작동하지 않습니다. 블랙홀 지평선 안쪽의 "공간"은 여러분의 직관이 통하는 어떤 보통의 공간과도 다릅니다.
또 블랙홀 내부는 진공이라서, 질량은 어떤 부피 안에 퍼져 분포하는 것이 아닙니다. 그저 시공간의 기하학적 성질일 뿐입니다.
3차원 유클리드 공간에는 보통의 3-sphere를 만들 수 없습니다. 3-sphere는 초구(hypersphere)거든요. 3-sphere를 담는 그릇으로 4차원 시공간을 생각하신 건가요, 아니면 3차원 공간 속 2-sphere의 부피(껍질 면적이 아니라)를 말씀하신 건가요?
죄송합니다, 제가 말하려던 건 유클리드 공간에서 2-sphere로 둘러싸인 3-ball이었습니다. 앞선 제 글의 수정 가능 시간이 아직 남아 있어서 고쳐 뒀습니다.
사건의 지평선이 블랙홀인 건 아닙니다. 되돌아올 수 없는 지점일 뿐이에요. 우리가 아는 한 블랙홀은 밀도가 무한한 특이점입니다. 하지만 아마 그건 사실이 아닐 겁니다. 그저 모델일 뿐이고, 그 모델이 완벽하지는 않으니까요.
물론 실제로 블랙홀 자체를 찍은 건 아니죠. 블랙홀을 둘러싼 물질을 찍은 겁니다...
물리학의 가장 놀라운 점 중 하나는, 일반인이 블랙홀에서 중요하다고 여기는 부분들에서는 뉴턴 중력 계산이 꽤 정확하게 들어맞는다는 겁니다.
둘 다 같은 임계 반지름을 예측하며, 지금은 이를 슈바르츠실트 반지름이라고 부릅니다.
둘 다 이상화된 붕괴에서 형식적으로 밀도가 무한한 중심 특이점을 예측합니다.
둘 다 동등한 이상화 조건에서 특이점으로 떨어지는 데 걸리는 유한한 시간이 정확히 같다고 예측합니다.
둘 다 시간의 정의만 다를 뿐 반지름 방향 자유낙하에 같은 식을 줍니다.
일반 상대성이론이 더한 것은 이런 것들의 의미였습니다(그리고 물론 아주 이상화된 시나리오나 대칭 조건을 벗어난 곳에서의 정밀한 계산도요).
일반인도 중요하게 여기는 해석상의 큰 차이 하나는, 뉴턴 중력에서는 (빛의 속도를 넘지 않고도) 블랙홀의 사건의 지평선 안쪽에서 빠져나올 수 있지만 일반 상대성이론에서는 그럴 수 없다는 점입니다.
상대성이론에서 사건의 지평선은 정말로 되돌아올 수 없는 지점이지만, 뉴턴 물리학에서는 탈출 속도가 빛의 속도와 같아지는 지점일 뿐입니다. 지구 표면의 탈출 속도는 11km/s지만, 그렇다고 인간인 제가 점프만으로 잠깐이나마 지구 표면을 벗어날 수 없다는 뜻은 아닙니다. 저는 분명 11km/s는커녕 1km/s로도 뛰지 않으니까요.
마찬가지로 뉴턴 중력에서는 물체가 블랙홀의 사건의 지평선 안으로 들어갔다가, 빛의 속도보다 훨씬 느린 속도로 다시 "점프"해 나온 뒤 또 지평선 너머로 빨려 들어가는 일이 가능하고, 충분히 강력한 추진력만 있다면 원칙적으로 이걸 계속 반복할 수 있습니다.
일반 상대성이론에서는 원칙적으로 이게 불가능합니다.
어떤 의미에서 그렇다는 거죠? 블랙홀은 빛과 시공간의 곡률이 상호작용한 결과입니다. 이건 뉴턴 중력(이든 뉴턴 물리학 전체든)에서는 전혀 모델링되지 않아요. 그 틀에서는 빛이 중력과 어떤 식으로도 상호작용하지 않는다고 가정하거든요.
뉴턴 역학에서도 빛은 분명히 중력과 상호작용합니다. 뉴턴 중력의 멋진 특징 중 하나는 중력 전하(곧 질량)가 관성과 같아서 운동 방정식에서 둘이 정확히 상쇄된다는 겁니다. 다른 어떤 힘에도 이런 성질은 없습니다.
그래서 중력 가속도는 관성과 무관합니다. 관성(질량)이 0에 가까워지는 경우에도 마찬가지입니다.
그래서 이 개념은 상대성이론이나 시간 지연 이야기가 나오기 훨씬 전, 아인슈타인이라는 이름을 아는 사람이 아무도 없던 때부터 있었던 겁니다. (이게 나왔을 때 아인슈타인은 네 살쯤이었죠.)
미국물리학회에 따르면 이렇습니다. "블랙홀 개념의 진정한 '아버지'는 존 미첼이라는 소박한 18세기 영국 교구 목사였다. 그는 동시대 과학자들보다 한참 앞서 있었던 나머지 그의 생각은 묻혀 있다가 한 세기도 더 지나서야 다시 고안되었다."
https://www.aps.org/apsnews/2009/11/1783-john-michell-black-holes
저만 그런가요, 아니면 블랙홀 사진 한 장쯤은 넣어 줄 수도 있었던 거 아닌가요?
저만 그런 줄 알았어요. 그래도 페이지 맨 아래에 링크된 영상이 정말 좋은데, 두 이미지와 그걸 만든 작업 요약이 나옵니다.
로스앤젤레스에 있는 동전의 연도를 뉴욕에서 읽는다거나 달 위의 귤을 본다는 비유도 마음에 들었어요. 그런데 블랙홀이 놀랍도록 작다는 얘기를 계속하면서도, 그걸 상대적인 크기로 설명해 주지 않더라고요. 제가 꼼꼼히 읽지 않은 걸 수도 있지만, 바늘 머리만 한 건가요? 태양계만 한가요? 찾아보면 된다는 건 알지만요.
"페이지 맨 아래에 두 이미지와 그걸 만든 작업 요약이 있다"
사진 한 장에 설명이 아래 붙어 있었다면 이 기사 전체보다 열 배는 설득력이 있었을 겁니다.
사진은 여러분 머릿속에 떠올리는 바로 그 모습입니다. 실제로 찍힌 건 많지 않으니까요.
https://www.si.edu/newsdesk/releases/astronomers-reveal-first-image-black-hole-heart-milky-way-galaxy
EHT는 데이터 수집과 협업 면에서 놀라운 성과입니다. 그래도 저는 늘 약간 의문이 들어요, 의심이랄까요. 과정을 (터무니없을 만큼 단순화해서) 보면 블랙홀이 어떻게 생겼을 거라고 우리가 생각하는 모습을 바탕으로 이미지 생성기를 만들고, 거기에 아주 모호한 스펙트럼 데이터를 넣어서 이미지를 생성하게 하는 거잖아요. 이거 엄청난 확증 편향 아닌가요? 그러니까, 블랙홀이 시뮬레이션과 닮아 보이는 건 당연합니다. 생성기를 그렇게 만들도록 프로그래밍했으니까요.
그렇게 생각하는 사람이 혼자만은 아니에요.
https://www.sciencealert.com/scientists-say-something-is-wrong-in-this-iconic-black-hole-image
저한테는 왜 이게 움직이는 것처럼 보일까요?
흐릿하니까 뇌가 뭔가 해 보려고 해서 그런 걸 수도 있지 않을까요?
명왕성의 가장 좋은 사진이 이렇게 생겼던 시절이 기억나네요.
이건 60분짜리 팟캐스트의 녹취록이에요. 그 TIFF를 Zmodem 형식으로 보내 드릴까요? 아니면 base64로 읽어 드리라고 할까요?
글쎄요, 우선 노출 시간이 꽤 길어야 합니다.
그 사진이 애초에 제대로 합성된 게 맞는지 실제로 반대하는 진지한 천체물리학자 그룹이 있어요.
긴 논문을 짧게 줄이자면, 그들이 신중하게 입증한 주장은 이게 우리가 보고 싶은 걸 보여 주는 머신러닝의 환각이라는 것 같습니다.
Becky 박사가 이걸 아주 훌륭하게 다뤘는데, 찾으면 바로 링크할게요.
찾았어요, 꼭 볼 만합니다.
Miyoshi, Kito & Makino (2024; Sag A* 이미지가 틀렸다고 주장)
블랙홀의 좋은 사진을 얻는 유일한 방법은 아마도 운 좋게 바로 옆에서 초신성이 터지는 순간을 잡는 것뿐일 겁니다. 되도록 극 가운데 하나에서 약간 비스듬한 각도로, 그래서 강착 원반과 먼지를 비춰 줄 수 있어야 하고요. 하지만 그 사건을 포착할 실낱같은 가능성이라도 갖기에 필요한 거리까지 탐색할 만한 가시광 집광 능력은 우리에게 없다고 봅니다. 그러니 질문에 대한 답은 기다리라는 겁니다.