우주에서 가장 강력한 천체로 알려진 블랙홀조차 영원하지 않을 수 있다는 사실을 알고 계신가요? 스티븐 호킹이 제시한 호킹 복사 이론에 따르면, 블랙홀도 입자를 방출하며 서서히 증발할 수 있습니다. 최근 지중해 해저에 설치된 중성미자 검출기에서 포착된 초고에너지 중성미자는 천문학자들에게 원시 블랙홀 소멸의 증거가 아닐까 하는 기대감을 안겨주었습니다. 과연 인류는 호킹 복사의 실체를 관측으로 입증할 수 있을까요?
블랙홀도 증발한다, 호킹 복사의 원리
스티븐 호킹은 블랙홀이 흑체 복사의 형태로 에너지를 방출할 수 있다는 혁명적인 개념을 제시했습니다. 이것이 바로 호킹 복사입니다. 마치 온도를 머금은 별이 빛을 방출하듯이, 블랙홀 역시 입자를 방출하면서 서서히 증발할 수 있다는 이론이었습니다. 이는 우주의 미스터리 중 하나로, 블랙홀의 영원성에 대한 근본적인 질문을 던지게 만들었습니다.
호킹 복사의 강도는 블랙홀 주변 사건의 지평선 곡률이 얼마나 휘어 있는지에 따라 달라집니다. 흥미로운 점은 질량이 무거운 블랙홀일수록 호킹 복사가 느리게 진행된다는 것입니다. 사건의 지평선이 워낙 거대해서 오히려 시공간이 휘어진 곡률은 적기 때문입니다. 반면 질량이 작은 블랙홀은 사건의 지평선도 작고 곡률이 휘어진 정도가 더 심할 수 있어, 더 빠르게 증발합니다.
블랙홀의 증발 과정은 시간이 지날수록 가속화됩니다. 처음에는 매우 느리게 진행되다가 블랙홀이 점점 가벼워질수록 걷잡을 수 없이 빨라지는 것입니다. 만약 블랙홀이 소행성 정도로 가벼워진다면, 굉장히 긴 시간 동안 상당한 양의 빛을 눈부시게 토해낼 수 있습니다. 이러한 최후의 순간에 방출되는 에너지는 우주 전역으로 퍼져나가게 됩니다.
블랙홀이 완전히 증발하면 그 안에 빨려 들어간 물질과 정보는 어디로 가는 걸까요? 이는 여전히 현대 물리학의 가장 큰 난제 중 하나입니다. 블랙홀 자체가 우리가 만들어낸 일종의 개념일 수도 있다는 철학적 질문도 제기됩니다. 블랙홀의 온도를 어떻게 알아내는지도 신기한 부분인데, 이는 사건의 지평선 근처에서 일어나는 양자역학적 현상을 통해 이론적으로 계산할 수 있습니다.
빅뱅 직후 태어난 원시 블랙홀의 운명
빅뱅 직후 우주 전역에는 수많은 원시 블랙홀이 태어났을 거라고 천문학자들은 가정합니다. 초기 우주의 높은 밀도로 인해 원시 블랙홀이 득실득실했을 것이며, 이들은 서로 빠르게 충돌하고 덩치를 키웠습니다. 오늘날 은하 중심에 사는 초거대 질량 블랙홀의 씨앗이 바로 이 원시 블랙홀이었을 거라고 추정됩니다.
만약 초기 우주에 아주 많은 가벼운 원시 블랙홀이 존재했다면, 멀리 떨어진 과거 우주를 관측할 때 이들이 토해냈던 눈부신 섬광을 포착해야 할 것입니다. 비록 지금은 모두 사라졌지만, 분명 우주의 한때 존재했을 이 원시 블랙홀들이 토한 고에너지 입자들도 우주 공간을 빠르게 떠돌고 있어야 합니다. 일부 천문학자들은 태양풍의 영향권을 벗어나서 이미 성간 우주여행에 접어든 보이저 탐사선의 검출기에도 이런 원시 블랙홀의 흔적이 포착될 거라 기대하고 있습니다.
하지만 보이저의 배터리는 머지않아 완전히 꺼지게 되어, 보이저의 흐릿한 신호에만 의지하면서 원시 블랙홀의 흔적을 찾는 건 어려워 보입니다. 그럼에도 불구하고 천문학자들은 포기하지 않고 있습니다. 지구 여러 곳에서 인류가 다양한 장비를 통해 원시 블랙홀의 증거를 기다리고 있다는 사실은 놀라운 일입니다. 이러한 연구를 통해 작은 블랙홀에 대해서 확실히 알 수 있다면, 우주의 진화 과정을 이해하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
일부 천문학자들은 원시 블랙홀이 이 우주를 채우고 있는 암흑 물질의 주인공일지도 모른다는 의심을 하고 있습니다. 빅뱅 직후부터 존재했고 일반적인 광학 관측으론 찾기가 어렵다는 점에서 충분히 가능성이 있는 가설입니다. 최근 제임스 웹 우주 망원경의 관측을 통해 우주 끝자락 초기 우주에서 계속 포착되고 있는 또 다른 수수께끼 '리틀 레드 닷'의 정체로 이 원시 블랙홀을 연결 지려 하기도 합니다.
지중해 해저에서 포착된 초고에너지 중성미자 검출의 의미
2023년 2월 13일, 지중해 바다 깊은 곳에 설치한 중성미자 검출기 KM3넷에서 놀라운 신호가 검출되었습니다. KM3넷에는 수천 개의 광학 센서가 고에너지 중성미자가 물속을 빠르게 훑고 지나갈 때 퍼트리는 체렌코프 복사의 흔적을 검출합니다. 프랑스와 그리스 앞바다 해저에 설치되고 있는 이 KM3NET은 아직 일부만 설치되었을 뿐 한창 건설되고 있습니다. 모두 완공된다면 총 1세 제곱 km에 이르는 거대한 부피의 해저 공간을 중성미자 검출기로 가득 채우게 됩니다. 바닷속에 잠긴 슈퍼카미오칸데라고 볼 수 있습니다.
이날 검출된 중성미자는 무려 220 페타 일렉트론볼트 수준의 엄청난 에너지를 머금고 있었습니다. 이것이 얼마나 강력한 수준이냐면, 현재 지구에 있는 가장 강력한 입자 가속기를 총동원해서 만들 수 있는 가장 강력한 입자의 에너지가 이 중성미자의 1만분의 1도 안 됩니다. 인간은 결코 흉내를 엄두낼 수 없는 엄청난 수준의 에너지였습니다. 그런 놀라운 수준의 중성미자가 우연히 지구의 바닷속을 돌파한 것입니다.
천문학자들은 어쩌면 빅뱅 직후 1초도 지나지 않았을 때 탄생했던 극초기 원시 블랙홀이 소멸할 때 토해낸 흔적일지도 모른다는 희망을 품었습니다. 당시 검출기에 감지된 중성미자가 남긴 흔적을 바탕으로, 만약 그 중성미자를 토해낸 범인이 정말 원시 블랙홀이었다면 어느 정도로 무거운 블랙홀이어야 할지, 또 얼마나 먼 거리에서 날아온 것일지를 유추했습니다.
분석 결과 고작 산 하나 수준의 질량을 지닌 원시 블랙홀이 겨우 12억 km밖에 안 되는 거리에서 증발할 때 방출한 중성미자일 수 있다는 결론이 나왔습니다. 이 정도 거리면 겨우 토성까지 거리밖에 안 됩니다. 다시 말해서 소행성은커녕 산 하나 수준밖에 안 되는 아주 아주 작은 원시 블랙홀이, 그것도 빅뱅 직후 1초밖에 지나지 않았을 때부터 줄곧 지금까지 살아남았던 원시 블랙홀이 먼 우주도 아니고 태양계 안에서 어떻게 우연히 들어왔다가 최근 소멸했고, 그때 방출된 고에너지 입자가 지구에 날아왔다는 뜻이었습니다. 정말 설레는 이야기이지만 한편으론 믿기 어려운 이야기이기도 했습니다.
사실 고에너지 중성미자를 만드는 건 원시 블랙홀뿐만은 아닙니다. 예를 들어 감마선 폭발 전체, 초신성 폭발과 같은 다른 강력한 현상들도 충분히 만들어낼 수 있습니다. 만약 정말 원시 블랙홀이 소멸할 때 남긴 중성미자라 하더라도, 정확하게 블랙홀이 사라지는 그 순간뿐 아니라 그 이전 몇 시간 전부터 지속적으로 비슷한 레벨의 감마선도 함께 검출되었어야 합니다. 이 중성미자가 검출되기 전부터 몇 시간 동안 앞서서 포착된 다른 감마선이 있었는지를 확인한다면, 이게 진짜 원시 블랙홀 때문이었을지를 검증할 수 있는 것입니다.
천문학자들은 이를 검증하기 위해 다른 검출기들의 데이터를 분석했습니다. 남극 얼음 아래 바닷속에 설치한 또 다른 수중 중성미자 검출기 아이스큐브의 데이터, 티베트 인근 고고도 지역에서 대기권에 쏟아지는 고에너지 우주선 입자들의 소나기를 기다리는 라소(LHAASO)의 데이터, 그리고 멕시코에 위치한 고도 4,100m 시에라 네그라 화산에 위치한 고고도 물 체렌코프 관측소인 호크(HAWC)의 관측 결과를 함께 비교했습니다.
하지만 그 어느 곳에서도 또 다른 중성미자나 감마선의 흔적은 포착된 적이 없었습니다. 만약 정말 KM3NET에서 검출한 입자가 원시 블랙홀 때문에 날아온 고에너지 중성미자였다면, 적어도 라소(LHAASO)에선 블랙홀이 소멸하기 전까지 최소 7시간에서 14시간 사이에는 수억 개가 넘는 감마선을 포착했어야 합니다. 아이스큐브에서도 블랙홀이 소멸하는 그 최후의 순간엔 최소 100개가 넘는 중성미자를 검출했어야 합니다. 아쉽게도 호크(HAWC)는 그 기간 동안엔 관측을 쉬고 있었습니다.
결국 KM3NET에 포착된 말도 안 되게 강력한 초고에너지 중성미자를 날려 보낸 범인의 정체는 아직 밝혀지지 않았습니다. 슬프지만 우리 태양계 안에 어쩌다 끼어 들어왔던 원시 블랙홀은 더더욱 아닌 것으로 보입니다. 그럼에도 불구하고 이번 발견은 우주를 관측하는 새로운 방법론의 가능성을 보여주었습니다. 이제 우리는 감마선, X선과 같은 고전적인 고에너지 전자기파뿐 아니라 중성미자라는 새로운 눈으로 우주를 함께 바라보고, 또 이들이 어디서 오고 있는지 지도를 그리는 새로운 멀티메신저 관측의 시대를 열어 나가고 있습니다.
블랙홀이 집어삼킨 물질의 행방이 '화이트홀'이라는 또 다른 통로를 통해 분출되는 것인지, 혹은 그저 고에너지 입자의 비가 되어 우주 전역으로 흩어지는 것인지는 여전히 천문학의 거대한 난제 중 하나입니다. 하지만 중요한 것은 이제 우리가 그 답을 찾을 '새로운 눈'을 가졌다는 사실입니다.
천문학자들이 태양계 안에 우주 최초의 블랙홀을 발견했을지 모르는 현재 상황/우주먼지의 현자타임즈: https://www.youtube.com/watch?v=VEMHjPH3hJg