아인슈타인은 블랙홀에 대해 틀렸을 수도 있다

한때 순전히 이론적인 개념이었던 블랙홀은 이제 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 한계를 시험하는 데 활용되고 있습니다. 출처: Shutterstock

블랙홀은 종종 우주의 대식가로 묘사되며, 빛 자체를 포함하여 너무 가까이 다가오는 모든 것을 집어삼킵니다. 이것이 바로 은하 M87과 우리 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 이미지를 그토록 놀랍게 만드는 이유입니다. 몇 년 전 사건의 지평선 망원경(EHT) 협력팀이 촬영한 이 관측은 천문학에 중요한 이정표를 세웠습니다.

"이 이미지에서 보이는 것은 블랙홀 자체가 아니라, 바로 근처에 있는 뜨거운 물질입니다."라고 이번 발견에 중요한 역할을 한 연구팀인 프랑크푸르트 괴테 대학교의 루치아노 레졸라 교수는 설명합니다. "물질이 사건의 지평선 바깥에서 회전하는 한, 즉 필연적으로 사건의 지평선 안으로 끌려들기 전까지는, 우리가 원칙적으로 감지할 수 있는 최종적인 빛 신호를 방출할 수 있습니다."

아인슈타인의 이론과 블랙홀의 미스터리

이 놀라운 이미지들은 과학자들이 블랙홀의 "그림자"라고 부르는 것을 드러내며, 이 신비로운 우주의 거대 물질 뒤에 숨겨진 물리학을 탐구할 새로운 방법을 제시합니다. 한 세기가 넘는 시간 동안 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 공간과 시간에 대한 우리의 이해의 토대가 되어 왔습니다. 이 이론은 블랙홀과 사건의 지평선, 즉 아무것도, 심지어 빛조차 빠져나올 수 없는 경계의 존재를 예측합니다.

"하지만 블랙홀의 존재를 예측하는 다른 가설적인 이론들도 있습니다."라고 레졸라는 지적합니다. "이러한 접근 방식 중 일부는 매우 구체적인 특성을 가진 물질의 존재를 요구하거나, 심지어 우리가 현재 알고 있는 물리 법칙을 위반하는 것을 전제로 합니다."

블랙홀 그림자로 아인슈타인의 아이디어 테스트

레졸라와 그의 팀은 중국 상하이에 있는 Tsung-Dao Lee 연구소 동료들과 협력하여 이러한 대안 이론을 검증하는 새로운 방법을 제안했습니다. Nature Astronomy 에 게재된 그들의 연구 는 미래의 블랙홀 관측이 어떻게 아인슈타인의 중력 모델을 확증하거나 반박하는 데 도움이 될 수 있는지를 설명합니다. 지금까지는 경쟁 이론을 검증하거나 기각할 만큼 충분한 데이터가 없었지만, 블랙홀 그림자 이미지에 대한 상세 분석을 통해 이러한 상황은 곧 바뀔 수 있습니다.

"이를 위해서는 두 가지가 필요합니다."라고 레졸라는 설명합니다. "한편으로는 블랙홀의 반지름을 최대한 정확하게 측정하기 위한 고해상도 그림자 이미지가 필요하고, 다른 한편으로는 다양한 접근 방식이 아인슈타인의 상대성 이론과 얼마나 크게 벗어나는지에 대한 이론적 설명이 필요합니다."

시뮬레이션은 이론이 어떻게 다른지 보여준다

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다양한 이론적 블랙홀 유형이 아인슈타인의 예측과 어떻게 다른지, 그리고 그러한 차이가 이미지에서 어떻게 나타나는지 설명하는 철저한 프레임워크를 구축했습니다. 연구팀은 고급 3차원 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 블랙홀 주변의 휘어진 시공간에서 물질과 자기장의 움직임을 재현했습니다. 이러한 시뮬레이션을 통해 연구팀은 이 거대한 천체들을 둘러싼 빛나는 플라즈마의 합성 이미지를 만들어냈습니다.

"핵심 질문은 '다양한 이론에 따른 블랙홀 이미지의 차이가 얼마나 큰가'였습니다."라고 정다오 리 연구소의 주저자 아킬 유니얄은 말합니다. 연구진은 향후 더욱 선명한 이미지를 통해 과학자들이 어떤 이론이 현실과 가장 잘 일치하는지 판단하는 데 도움이 될 수 있는 명확한 패턴을 발견했습니다. 현재의 EHT 해상도로는 아직 이러한 미세한 차이를 감지할 수 없지만, 기술의 발전으로 점차 이러한 비교가 가능해질 것입니다. 이에 대비하여 물리학자들은 다양한 이론적 틀을 포괄할 수 있는 블랙홀에 대한 보편적인 설명을 개발했습니다.

아인슈타인의 이론은 여전히 ​​강력하다 -- 현재로서는

"EHT 협력단이 천체물리학에 기여한 가장 중요한 업적 중 하나는 블랙홀을 검증 가능한 천체로 만든 것입니다."라고 레졸라는 강조합니다. "상대성 이론은 지금까지처럼 계속해서 그 자체를 증명해 나갈 것으로 기대합니다." 지금까지의 연구 결과는 아인슈타인의 이론과 일치하지만, 측정의 불확실성으로 인해 몇 가지 특이한 아이디어만 배제되었습니다. 예를 들어, M87과 우리 은하의 블랙홀은 "벌거벗은 특이점"(사건의 지평선이 없는)이나 웜홀이 아닐 가능성이 거의 확실합니다. 그럼에도 불구하고 레졸라는 "기존 이론조차도, 특히 블랙홀과 같은 극단적인 천체에 대해서는 지속적인 검증이 필요합니다."라고 지적합니다. 만약 아인슈타인의 모델이 실패한다는 것이 증명된다면, 물리학에 혁명적인 순간을 맞이하게 될 것입니다.

우주 관측의 새로운 시대

EHT는 이러한 연구에 전례 없는 기회를 제공합니다. 전 세계에 있는 여러 대형 전파 망원경의 데이터를 결합함으로써 지구 크기의 망원경을 만들어 블랙홀 주변의 미세한 부분까지 포착할 수 있습니다. 네트워크에 더 많은 관측소를 추가하고, 궁극적으로는 우주에 전파 망원경을 추가하여 해상도를 크게 높이는 계획이 이미 진행 중입니다.

이러한 발전은 경쟁하는 블랙홀 이론들에 대한 진정으로 확실한 검증을 가능하게 할 수 있습니다. 새로운 연구에 따르면, 이를 위해서는 백만 분의 1초각 미만의 각 분해능을 달성해야 하는데, 이는 지구에서 달 표면의 동전을 관측하는 것과 거의 같습니다. 아직은 그 수준의 정밀도가 불가능하지만, 과학자들은 앞으로 몇 년 안에 달성될 것으로 예상하며, 이는 중력과 우주 자체에 대한 우리의 이해에 새로운 장을 열 잠재력을 가지고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251108014022.htm