블랙홀과 상대성 이론

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블랙홀과 아인슈타인의 상대성 이론

알베르트 아인슈타인의 상대성 이론은 과학자들에게도 우리에게도 매우 중요하고 놀라운 이론이다. 우리는 블랙홀의 회전 속도와 질량밖에 알 수 없지만 상대성 이론을 이용한다면 블랙홀의 중력의 세기 정도와 크기 같은 그 외 세부사항들까지 모두 알아낼 수 있기 때문이다.

블랙홀의 이름을 지은 존 아치볼드 휠러(John Archibald Wheeler)는 "블랙홀은 털이 없다(A black hole has no hair)"라고 말했다. 이 문장의 의미는 블랙홀에는 질량, 그리고 회전 외에는 갖고 있는 다른 속성이 전혀 없다는 뜻이다.

즉 "블랙홀은 털이 없다"라는 문장을 다르게 말하자면 블랙홀에겐 털이 단 두 가닥만 있으며, 그 두 가닥만 이용해도 우리는 블랙홀에 대해 모두 알 수 있다는 말이 된다. 상대성 이론만 있다면 우리의 무게와 속도만으로 우리에 관한 모든 것을 알아낼 수 있다는 것이다.

영화 <인터스텔라>에는 "가르강튀아"라는 이름의 블랙홀이 나온다. 그리고 영화에는 "밀러 행성"도 함께 나오는데, 밀러 행성의 시간은 지구보다 6만 배나 느리게 흐르기 때문에 밀러 행성에서의 1시간이 지구에서의 7년과 같다는 설정이다.

이는 밀러 행성이 가르강튀아 블랙홀에 가까이 접근해 있지만, 휩쓸리진 않고, 무엇보다 가르강튀아 블랙홀이 아주 빠른 속도로 회전하는 경우 가능한 설정인데, 이렇게 가능성을 계산할 수 있는 이유도 모두 아인슈타인의 상대론 방정식 덕분이다. 그리고 영화 <인터스텔라>의 이런 설정들은 불가능하진 않지만, 실제 우주에서는 벌어질 확률이 매우 낮다. 가르강튀아가 회전하는 속도를 아인슈타인의 방정식을 사용해 계산해 보면 가르강튀아의 속도는 최댓값에 아주 가까운 속도를 내며 회전하기 때문이다.

블랙홀은 회전 속도가 최댓값에 가까워지면 자신과 동일한 방향으로 궤도를 도는 물체들은 빨아들일 수 없게 되고, 자신의 반대 방향으로 궤도를 도는 물체들은 손쉽게 빨아들인다. 그리고 이렇게 물체를 빨아들임으로써 회전 속도 또한 느려져, 블랙홀은 회전 속도가 최댓값에 가까워질 경우, 반드시 다시 회전이 느려지게 돼있다. 만약 블랙홀의 회전 속도가 최댓값을 넘어버린다면 블랙홀이 활짝 열리게 되는데 이런 상황이 벌어지지 않는 이유도 바로 이 때문이다.

또 아인슈타인의 상대성 이론을 이용해 가르강튀아의 질량도 도출해낼 수 있다. 가르강튀아는 태양의 1억 배에서 2억 배의 질량을 가진 블랙홀일 것이다. 만약 가르강튀아가 이보다 더 작은 질량을 가지고 있었다면 가르강튀아에 휩쓸리지 않으면서 가능한 최대로 가까이에 위치하고 있는 밀러 행성을 가르강튀아의 중력으로 인한 기조력(tidal force)이 찢어버릴 것이기 때문이다.

이처럼 아인슈타인의 상대성 이론을 이용하면 자세한 정보가 없는 영화 속 블랙홀의 또 다른 속성들까지도 도출해 내는 게 가능해진다. 또한 물리학 이론에 대해 잘 알지 못하는 일반인들조차 상대성 이론은 알만큼 상대성 이론의 인지도는 독보적이다.