안드로메다 은하를 이용해 숨어 있는 원시 블랙홀 찾는다?

몇 년 전 작고한 천재 물리학자 스티븐 호킹의 주요 이론 중 하나는 빅뱅과 함께 생성된 원시블랙홀(primordial black hole, PBHs)에 관한 것이다. 초기 우주에서 밀도가 높은 부분이 직접 수축해서 블랙홀이 생길 수 있다는 이론은 젤도비치와 노비코프가 1966년 먼저 주장했지만, 1971년 스티븐 호킹은 좀 더 구체적인 이론적 예측을 발표했다. 호킹의 이론에 따르면 빅뱅 직후 0.01mg에서 태양 질량의 수천 배에 달하는 원시 블랙홀이 생성될 수 있다.

일부 과학자들은 이 원시 블랙홀이 물질 질량의 80%를 차지하는 암흑 물질의 정체일지도 생각하고 있다. 원시 블랙홀은 대부분 작은 크기로 추정되지만, 그 숫자가 매우 많을 수 있기 때문이다. 따라서 그 존재를 증명하는 것은 단순히 호킹의 이론이 옳은지를 검증하는 것이 아니라 천체 물리학의 한 획을 긋는 중요한 발견이 될 수 있다.

하지만 질량이 작은 원시 블랙홀이 실제로 존재한다고 해도 그 존재를 입증하기가 매우 어렵다. 사실 블랙홀은 빛까지 흡수하는 천체이기 때문에 흡수하는 물질이 없거나 중력을 행사하는 다른 천체가 없다면 거의 관측이 불가능하다. 그런데 원시 블랙홀은 혼자 존재하는 매우 작은 블랙홀이라 흡수하는 물질도 없고 동반성도 없다. 따라서 호킹이 이론적으로 예측한 원시 블랙홀은 그가 죽는 날까지 발견할 수 없었다. 그래도 그가 제시한 이론에는 문제가 없기 때문에 과학자들은 가능성을 믿고 계속 방법을 찾는 중이다.

노르웨이의 카블리 우주물리·수학연구소 과학자들은 원시 블랙홀을 검출할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 연구팀은 하와이에 설치된 8.2m 구경 스바루 망원경의 하이퍼 슈프림-캠(Hyper Suprime-Cam, 이하 HSC) 카메라의 능력에 주목했다.

HSC는 8억7000만 화소의 고성능 천체 관측용 카메라로 몇 분에 한 번씩 안드로메다 은하 전체를 관측할 수 있을 만큼 뛰어난 성능을 지니고 있다. 그런데 만약 지구와 안드로메다 은하 사이에 원시 블랙홀이 끼어든다면 블랙홀의 중력에 의해 빛이 휘면서 중력렌즈 효과가 발생한다. 이를 포착하면 매우 작은 질량을 지닌 블랙홀을 입증할 수 있다는 것이다. 일반적인 블랙홀은 태양 질량의 3배 이상의 질량을 지니고 있기 때문에 태양보다 훨씬 작은 질량을 지닌 블랙홀이라면 원시 블랙홀 이외의 다른 가능성은 희박하다.

다만 이론적으로는 가능하다고 해도 실제로 관측하기 위해서는 장시간에 걸친 반복 관측과 결과 분석이 필요하다. HSC와 비슷한 성능을 지닌 고해상도 천문 관측 장치를 사용해도 단시일 내로 성과를 내기 어렵다는 이야기다. 하지만 오랜 세월 도전한 끝에 중력파를 검출한 것처럼 과학자들은 끈기를 가지고 관측을 계속하고 있다. 원시 블랙홀 관측에 성공하면 스티븐 호킹 박사에게는 가장 큰 영예가 될 것이다. 과연 그날이 올 수 있을지 궁금하다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com