블랙홀과 우주론

블랙홀과 우주론

 

블랙홀 박사가 들려주는

우주학당 강의 노트

 

 

 

지은이 박석재 ǀ 발행일 2023년 2월 15일

판형 140×205㎜, 180쪽, 무선제본 ǀ 정가 15,000원

대상 독자 성인, 청소년 ǀ 분류 청소년 일반 과학교양

ISBN 979-11-6363-378-5 [43440]

 

■ 책 소개

최고의 블랙홀 박사가 만든

국내 유일한 블랙홀 전문서

 

공상과학 소설이나 영화에 단골손님으로 등장하는 블랙홀. 아마 블랙홀이라는 단어를 들어보지 못한 사람은 거의 없을 것이다. 그런데 우리는 이 블랙홀에 대해 얼마나 알고 있을까? 엄청난 중력으로 인해 빛도 시간도 왜곡된다는 상식 밖의 존재, 우리가 알고 있는 모든 물리학의 법칙이 성립되지 않는 기묘한 공간, 외부 관측자가 안을 들여다볼 수조차 없다는 이 ‘이벤트 호라이즌’에 대해 더 자세하게 알아보고 싶지 않은가?

 

이 책은 블랙홀 박사로 유명한 저자가 평생 연구해 온 블랙홀 자료 중 반드시 알아야 할 내용만 집약해서 담았다. 하지만 블랙홀의 개요를 보통 사람들이 이해할 수 있게 설명하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 난해하기로 소문난 아인슈타인의 상대성이론을 근거로 하고 있기 때문이다.

 

그러나 저자는 이를 ‘행복하고 즐겁게’ 읽을 수 있도록, 직접 그리고 작곡한 삽화와 노래를 길잡이로 삼아 독자의 눈높이에서 이야기를 들려준다. 청소년은 물론 어른까지 쉽고 재미있게 이해할 수 있도록 만화를 통해 우리 할아버지 모습의 신령들이 우주를 여행하듯 다양한 우주론과 별의 일생, 블랙홀의 구조와 성질, 우주의 신비를 하나하나 풀어냈다. 다가오는 뉴스페이스 시대를 대비해 우주에 관심이 있는 사람이라면 꼭 읽어 둬야 할 책이다.

 

 

■ 저자 소개

 

박석재 박사

서울대학교 천문학과를 졸업하고 미국 텍사스대학교에서 블랙홀 천체물리학으로 박사 학위를 받았다. 다수의 천문학 서적과 소설을 집필하는 등 천문학 대중화에 헌신했고 2005년부터 2011년까지는 한국천문연구원 원장도 역임했다. 저서로는 《해와 달과 별이 뜨고 지는 원리》, 《하늘의 역사》, 《천손의 나라 대한민국》, 소설 《개천기》 시리즈, 영문판 《The History of Heaven》 등이 있다. 현재 역사광복을 추진하는 사단법인 대한사랑의 이사장직을 수행하고 있다.

 

 

■ 차 례

 

저자 머리말

지구신령 머리말

 

1 상대성이론이란 무엇인가

특수상대성이론과 일반상대성이론

중력은 휜 시공간

엄청나게 어려운 방정식

일식으로 증명한 상대성이론

 

2 미운 오리 새끼 블랙홀

천체 탈출속도

빛도 탈출하지 못하는 블랙홀

시간이 정지하는 블랙홀 표면

슈바르츠실트 블랙홀

 

코스모스 군도 여행 1

- 드디어 코스모스 군도에

- 카페 스페이스타임

- 로렌츠 특급

 

3 우주의 구조

불안한 아인슈타인 우주

아인슈타인의 억지

허블의 팽창우주

우주의 종말

 

4 별의 일생

핵에너지

별은 핵융합 발전소

엄청나게 뜨거웠던 태초

자동온도조절장치가 작동하는 젊은 별

자동온도조절장치가 부서진 늙은 별

블랙홀 사촌 중성자성

 

코스모스 군도 여행 2

- 연극 ‘뉴턴과 아인슈타인’

- 은하의 섬

- 허블 천문대

 

5 백조가 된 블랙홀

다시 불붙는 블랙홀 연구

커 블랙홀

호킹의 흥부 블랙홀

X-선으로 찾는 블랙홀

퀘이사의 수수께끼

거대한 블랙홀

 

6 우주의 진화

원시 블랙홀

암흑물질로서의 블랙홀

인플레이션과 웜홀

태초와 종말

 

코스모스 군도 여행 3

- 오페라 ‘우주의 탄생’

- 테마파크 블랙홀

- 외계생명체의 섬

 

저자 맺음말

사족

 

 

■ 책 속으로

 

블랙홀과 우주론에 관한 쉬운 책은 꼭 필요한 실정이야. 왜냐하면 현대를 살아가는 사람이라면 누구나 이에 대해 조금은 알아야 하기 때문이지. 만일 다음 중 두 항목 이상 해당하면 이 책을 읽지 않아도 좋아.

 

● 나는 블랙홀이라는 말을 지금까지 살아오면서 세 번 이상 듣지 못했다.

● 나는 내가 현재 우주시대를 살아간다고 생각하지 않는다.

● 나는 아인슈타인과 같은 천재들이 우주의 신비에 대해 무엇을 밝혀냈는지 전혀 궁금하지 않다.

● 나는 SF 영화를 단 한 편도 본 적이 없다.

● 나는 천문학자나 물리학자를 싫어한다.

● 나는 블랙홀이나 우주론 이야기만 들으면 정신이 몽롱해지거나 행동이 이상해진다.

-p14, 지구신령 머리말

 

일반상대성이론에서는 물체가 천체의 중력이 휘어 놓은 시공간 안에서 운동한 결과로 천체에 떨어진다고 풀이해. 예를 들어 얇은 고무 막에 무거운 구슬(천체)을 올려놓으면 고무 막은 휘게 될 거야. 무거운 구슬에 의해 휘어 있는 고무 막에다가 작고 가벼운 구슬(물체)을 또 굴리면 구슬은 큰 구슬 쪽으로 돌면서 굴러 떨어지게 되지. 중력장 주변에서 빛이 휘는 현상도 이처럼 자연스럽게 설명할 수 있어. 쉽지?

-p20, 중력은 휜 시공간

에딩턴은 어떻게 일식을 이용해 증명했을까? 그 해답의 열쇠는 일식이 일어나면 낮에도 별들을 볼 수 있다는 사실에 있어. 일식에는 달이 해의 일부만 가리는 부분일식과 달이 해를 완전히 가리는 개기일식이 있지. 개기일식이 일어나는 지역은 지극히 제한돼 있어서 에딩턴도 아프리카로 떠날 수밖에 없었던 것이야.

개기일식이 일어나면 보름달이 떠 있는 밤처럼 어두컴컴해지고 밝은 별들이 보여. 이때 별들의 겉보기 위치는 아인슈타인과 슈바르츠실트가 옳다면 실제 위치보다 해로부터 더 멀리 떨어져 있어야 해. 에딩턴은 이런 현상을 실제로 관측해서 해 주위에서 빛이 휜다는 사실을 증명할 수 있었지.

-p24, 일식으로 증명한 상대성이론

 

따라서 블랙홀 속에서 일어나는 일은 외부 관측자가 볼 수 없어. 이는 우리가 지평선 너머에 있는 물체를 볼 수 없는 것과 같지. 이런 뜻에서 블랙홀의 표면을 ‘사건의 지평선’, 영어로 ‘event horizon’이라고 불러. 사실 사건의 지평면이 더 정확한 표현이지만 관용적으로 사건의 지평선이라고 부른 거야. 따라서 블랙홀의 표면이라는 말도 단순히 사건의 지평선을 의미하는 것으로 해석해야 해, 거기에 어떤 바닥이 있는 게 아니야.

그런데 블랙홀 내부 구조는 의외로 간단해. 중앙에는 특이점, 영어로 ‘singularity’라고 불리는 밀도가 무한대인 점이 있고, 다른 곳에서는 물질을 찾아볼 수가 없어. 왜냐하면 사건의 지평선을 넘어서 들어온 물질은 결국 모두 중앙의 특이점으로 끌려 들어가기 때문이지. 특이점에서는 현재 우리가 알고 있는 어떠한 물리학의 법칙도 성립하지 않아.

-p33, 시간이 정지하는 블랙홀 표면

 

하지만 아인슈타인은 뉴턴이 가졌던 고민을 그대로 이어받게 돼. 왜냐하면 아인슈타인 우주는 정적일 수가 없기 때문이야. 즉 뉴턴 우주의 별들과 마찬가지로 아인슈타인 우주의 은하들은 서로 당기기만 할 뿐 밀지는 않기 때문이지. 유한개의 은하를 가지고 정적인 우주를 엮어 놓으면, 그 우주는 중력에 의해 한곳으로 모여들어 바로 붕괴하는 거야.

-p57, 불안한 아인슈타인 우주

 

질량이 해 8배보다 크고 30배보다 작은 별들의 중심에는 진화 말기가 되면 거의 중성자로 구성된 높은 밀도를 갖는 핵이 형성되지. 양성자고, 중성자고, 전자고 없는 거야. 축퇴압력에 의해서 이런 별이 폭발하게 되면 앞의 경우와는 달리 중성자핵이 중성자성으로 남게 돼.

중성자성들은 크기가 수십 km 정도이고, 보통 1초에 1회 이상 회전한다. 이 정도 크기면 블랙홀 사촌이라고 할 수 있지. 빠른 회전에 의한 엄청난 원심력은 보통 별이라면 산산조각으로 깨뜨려 버리겠지만 중성자성에는 별 영향을 주지 못해. 왜냐하면 중성자성의 평균 밀도는 원자핵과 같아서 각설탕 크기 물질 무게가 약 10억t 정도 돼.

-p80, 블랙홀 사촌 중성자성

 

뉴질랜드의 커(Kerr)는 슈바르츠실트가 아인슈타인 방정식을 푼 지 거의 50년이 지난 1963년, 회전하는 블랙홀에 관한 답을 구했어. 슈바르츠실트가 구했던 답은 회전하지 않고 가만히 있는 블랙홀에만 맞는 것이었지. 그리하여 천문학에서 슈바르츠실트 블랙홀, 커 블랙홀이라는 말은 각각 회전하지 않는 블랙홀, 회전하는 블랙홀을 의미하게 됐어.

재미있는 것은 슈바르츠실트 블랙홀보다 커 블랙홀의 크기가 최고 절반까지 줄어든다는 사실이야. 즉 우리 해의 경우 커 블랙홀이 돼서 최대한 빨리 자전하면 반지름이 1.5km까지 수축해. 보통 물질은 빨리 자전하면 원심력 때문에 부피가 커지는데 블랙홀은 반대야.

-p108, 다시 불붙는 블랙홀 연구

 

그런데 무엇보다도 천문학자들을 당황하게 만든 것은 퀘이사의 밝기였어. 그렇게 먼 거리에서 그 정도의 밝기로 빛나려면 우리은하의 밝기를 한 점에 다 모아 놓아야만 해. 하지만 퀘이사의 에너지원은 우리 태양계 크기밖에 되지 않는다는 사실이 다시 알려졌어. 즉 태양계만 한 에너지원에서, 별이 천억 개나 모인 우리은하의 총 밝기에 해당하는 에너지가 나오고 있다는 믿지 못할 결론이 내려졌지. 그리하여 퀘이사의 수수께끼는 날로 더해 갔어.

-p119, 퀘이사의 수수께끼

 

즉 전화나 전보가 없던 조선시대 두 전령이 평양과 전주로부터 그 당시 가장 빠른 운송 수단인 말을 타고 최대한 빨리 달려와 임금에게 올린 정보가 완벽하게 똑같다면 이해가 갈 수 있어? 이런 수수께끼의 해답으로서 미국의 구스(Guth)는 인플레이션(inflation) 우주론을 도입했지. 인플레이션이라는 말은 태초 어느 순간 우주가 갑자기 비정상적으로 엄청나게 커졌다는 것을 의미해. 즉 처음에는 느리게 팽창하다가 인플레이션이 일어나 부쩍 더 빨리 팽창한 후 다시 느린 팽창으로 돌아갔다는 말이야.

-p129, 인플레이션과 웜홀

 

 

 

■ 출판사 리뷰

코즈믹 호러? 무지에서 오는 공포?

이제 당신도 블랙홀 박사가 된다

 

영화 ‘인터스텔라’를 보면 중력 이상과 시공간의 왜곡으로 인한 시공간여행이 나온다. 물론 블랙홀 속에 사람이 들어가면 살아서 나올 수는 없겠지만 영화적 허용으로 받아들이고 넘기자. 중요한 것은 블랙홀이라는 존재가 인간이 수천 년간 쌓아온 학문과 상식으로는 그 실체를 가늠하기 힘든 현상이라는 점이다.

 

영국의 소설가 아서 매컨이 창시한 코즈믹 호러라는 장르는 인간이 감히 맞설 수 없으며 이해의 범주를 까마득히 넘어선 존재에게서 오는 무력함과 무가치함을 소재로 한다. 특히 우주에서 인류가 얼마나 보잘 것 없는지 적나라하게 묘사하며 그로 인한 압도적인 공포를 느끼게 해준다. 마블 영화에서 조금씩 언급되는 셀레스티얼 같은 우주적 절대자가 그 좋은 예라 하겠다. 블랙홀 역시 이러한 코즈믹 호러의 대상이 되기에 충분한 존재이다.

 

이 책을 읽으면 읽을수록 신비로 가득한 우주와 블랙홀에 대해 경외감이 느껴진다. 그리고 인간의 지식으로 가늠하기 힘든 우주와 블랙홀의 실체를 다양한 각도와 방법으로 접근해 과학적으로 파헤치려는 저자의 노고에 박수를 보내고 싶다. 그렇게 얻은 지식의 정수를 우리 모두에게 알기 쉽게 설명해 주고 때로는 재미와 함께 공유하려 하는 노력에 그저 감사할 따름이다. 진부한 표현이지만 이 책은 재미와 지식이라는 두 마리 토끼를 잡는 데 성공했다고 자신 있게 밝히고 싶다.

 

인간은 불확실성을 두려워하는 생명체다. 미지에 대한 두려움은 불안과 공포로 다가온다. 그러나 마냥 겁에 질려 있을 필요는 없다. 이 책을 전부 읽었을 때쯤이면 독자는 우주와 블랙홀에 대해, 누구보다도 잘 알고 누구보다도 더 박식한 사람이 되어 있을 것이기 때문이다.