‘5차원 블랙홀’ 재현 성공…일반상대성이론 넘어서나

아인슈타인의 일반상대성이론을 뒤집을 수 있는 ‘5차원 블랙홀’이 실존한다면?

과학 전문매체 와이어드 영국판은 최근 과학자들이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 5차원 블랙홀이라고 불릴 수 있는 독특한 블랙홀을 만들어내는 데 성공했다고 보도했다.

영국 케임브리지대와 런던 퀸메리대 공동 연구진은 슈퍼 컴퓨터 시뮬레이션으로 얇은 고리 모양의 블랙홀을 구현했다. 이른바 ‘블랙링’이다.



공개된 시뮬레이션을 보면, 5차원 블랙홀은 전체적으로 팽창했다가 다시 조금 줄어들더니 회전을 한다. 그러면서 동서남북처럼 대칭을 이루는 네 방향의 일부분이 급격히 팽창하고, 각 부분과 연결된 각 부위는 상대적으로 가늘어지면서 독특한 블랙홀 형태를 띠게 되는 것이다.

연구진은 이런 모양을 수도꼭지에서 흘러나오는 물이 물방울로 분산하는 구조에 비유하면서도 이런 형태의 천체는 5개 이상의 차원을 가진 우주에서밖에 존재할 수 없다고 설명했다.

이런 고리 모양의 블랙홀이 처음 이론화된 시점은 지금으로부터 14년 전인 2002년이지만, 재현해내는 시뮬레이션에 성공한 사례는 이번 연구가 처음이다.

만일 이런 블랙홀이 실제로 존재한다면 이들은 ‘노출 특이점’(naked singularity·물질 밀도가 무한대가 되는 점으로서 사건 지평선으로 둘러싸이지 않은 특이점)의 출현으로 이어질 수 있다.

연구팀에 따르면, 노출 특이점은 일반상대성이론을 지지하는 원리와 방정식을 부정한다.

특이점은 중력이 너무 강해 시간과 공간, 물리학 법칙이 완전히 깨지는 점을 말하는 데 일반상대성이론에서 특이점은 블랙홀 내부에 존재하며 이는 중력이 너무 강해 탈출할 수 없는 한계선인 ‘사건의 지평선’에 둘러싸여 있는 것으로 설명된다.

이번 연구에 공동저자로 참여한 마커스 쿠네시 케임브리지대 박사과정 학생은 “특이점은 사건의 지평선 너머에 숨어있는 한 문제가 될 건 없다. 일반상대성이론은 유효하다”면서도 “하지만 사건의 지평선에 둘러싸여 있지 않은 ‘노출 특이점’은 현재의 물리학 법칙을 부정한다”고 말했다.

또 다른 공동저자인 사란 튜냐슈뷰나쿨 케임브리지대 박사과정 학생은 “만일 노출 특이점이 존재한다면 일반상대성이론은 깨지게 되는 것”이라면서 “만일 일반상대성이론이 깨지게 되면 모든 것이 뒤집히게 될 것”이라고 말했다.

이어 “왜냐하면 일반상대성이론이 깨지면 인과율(원인과 결과) 법칙을 더는 논의할 수 없기 때문”이라면서 “우주를 설명할 수 있는 이론이 더는 없게 되는 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구성과는 세계적인 물리학 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 최신호(2월 18일자)에 게재됐다.



사진=NASA/JPL(위) 케임브리지대

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr