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블랙홀을 귀로 들을 수 있다고?

우주는 거의 진공상태이기에 매질이 없어 소리가 전달되지 않는다. 그런데 블랙홀의 소리를 어떻게 들을 수 있을까? 최근 NASA 연구진들은 이 블랙홀 소리를 과거에도 있을 것이라 추정하였는데 어떻게 인간의 가청범위 내로 소리를 듣게 하였는지 살펴보도록 하자.


블랙홀의 소리의 근원은 성단의 뜨거운 가스

천문학자들은 2003년 나사의 찬드라 엑스레이 천문대에서 페르세우스 은하단 중심의 블랙홀에서 음파를 발견하였고 그 이후로도 이 천체를 중점적으로 소리에 대해 연구를 하였다. 그 이유는 천문학자들이 블랙홀이 내보낸 압력파가 성단의 뜨거운 가스에 잔물결을 일으켜 소리로 들릴 수 있다는 것을 발견하였기 때문이다. 지구에서 2억 5천만 광년 떨어진 곳에 있는 페르세우스 은하단 중심의 이 블랙홀로부터 수십만 광년 떨어진 곳으로 퍼져나가는 가스 속의 파문이 발견되었는데 이것이 바로 음파의 강력한 증거가 된 것이다. 사진을 보면 가운데 블랙홀 위아래로 검은 구멍이 보인다.

페르세우스 은하단의 가운데에 위치한 블랙홀 주위의 모습.

이 검은 구멍들은 분출되는 물질들이 은하단의 가스를 뒤로 밀어내면서 생겨난 것들인데, 이 검은 구멍들에서 퍼져나가는 위쪽의 음파들이 물질의 분출로 인한 은하단 가스의 가열현상, 즉 별 생성과정의 수수께끼를 푸는 열쇠가 될 수 있다는 것이다. 위 검은 구멍들이 만들어지는 데는 초신성 1억 개 분량의 에너지가 필요한 데, 이 에너지가 바로 이 블랙홀 음파에 의해 운반되기 때문이다. 이 소리는 “가온 다” 아래로 약 57 옥타브로 인간 가청영역 몇백만 배의 몇십억 배 낮은 주파수대의 소리이며 인간이 들을 수 없는 소리이다. 이는 인류가 우주에서 탐지한 그 어떤 소리보다 더 깊은 저음을 내고 있다고 한다. 고로, 이제 새로운 음파 처리가 필요하였고 이에 현재 천문 데이터를 소리로 음향화하여 변환하는 black hole sound machine이 활용되었다. 하지만 초신성 1억 개 가량의 에너지를 안고 있기 때문에 이 블랙홀의 음파 음, 즉 Bb 음은 25억 년 동안이나 계속해서 유지된다고 한다. 다만 우리가 알지 못할 뿐, 페르세우스 은하단 블랙홀의 음파는 수많은 별들의 탄생 비밀을 간직한 채 ‘라’와 ‘시’ 음표 사이의 소리로 우리가 바라보고 있는 밤하늘의 수많은 별들을 스쳐 지나가고 있는 것은 아닐까?

우주에 소리가 없다는 일반적인 오해는 대부분의 공간이 본질적으로 음파가 전파되는 매체를 제공하지 않는 진공 상태라는 사실에서 비롯된다. 반면에 은하단에는 수백 또는 수천 개의 은하를 감싸는 엄청난 양의 가스가 있어 음파가 이동할 수 있는 매개체가 된다.


과거 인류가 최초로 관측했던 블랙홀

1915년 아인슈타인이 일반상대성이론을 제시하면서 처음 개념이 등장한 블랙홀의 존재를 직접적인 증거를 통해 눈으로 확인한 것은 2019년 4월이었다. 세계 천문학자들이 협력하여 처녀자리 M87 은하의 블랙홀을 인류가 사상 처음으로 직접 관측할 수 있게 되었다. 연구팀은 2017년 4월 약 열흘에 걸쳐 지구에서 빛의 속도로 5500만 년 가야 도착할 수 있는 거리의 거대한 은하 중심부에 있는 블랙홀을 관측했다. 블랙홀의 모습은 블랙홀 뒤에서 온 빛이나 주변에서 발생한 빛이 블랙홀의 강한 중력에 의해 휘어 둥글게 휘감기며 형성되어 고리 모양으로 보여졌다. 그리고 ‘블랙홀의 그림자’라 불리는 칠흑같이 어두운 공간은 내부의 빛이 빠져나오지 못해 형성된 공간으로 고리 모양의 빛이 감싸는 모습을 볼 수 있다.

현재는 그 블랙홀의 소리를 여러 음역대 별로 추출하여 음향화하고 귀로 들을 수 있게 하여 전과는 또 다른 느낌의 블랙홀 모습을 우리에게 안겨다 주었다.


다양한 블랙홀을 귀로 듣다

페르세우스의 이 새로운 음향화에서는 음파 천문학자들이 음파를 추출하고 변형하여 처음으로 들을 수 있게 되었다. 음파는 반경 방향, 즉 중심에 바깥쪽으로 추출되었다. 그런 다음, 신호를 실제 음높이보다 57옥타브와 58옥타브를 높임으로써 인간의 가청 범위로 재합성하였다. 이 수치는 원래 주파수보다 144,000조 배, 288,000조 배 더 높게 들리는 수치이다. 물론 음향화하기 전 블랙홀의 소리는 그 은하 내에서만 존재하며 우리에게 도달하지는 않는다. 도달한다 할지 언정 우리가 직접 들을 수는 없다. 인간이 들을 수 있는 가장 낮은 소리의 주기는 0.1초이지만 이 블랙홀이 내는 소리의 주기는 천만 년이다. 또한, 이 뿐만 아니라 이미지 주변의 레이더와 같은 스캔을 통해 다른 방향에서 방출되는 파동을 들을 수 있다.

페르세우스 은하단과 함께 또 다른 유명한 블랙홀의 새로운 음파화가 공개되고 있다. 과학자들이 수십 년 동안 연구한 Messier 87 또는 M87의 블랙홀은 2019년 EHT(Event Horizon Telescope) 프로젝트의 첫 번째 릴리스 이후 과학계에서 유명인사 지위를 얻었다. 3년 전, 처음으로 실제 블랙홀의 모습을 관측할 수 있었던 처녀자리 M87 은하 블랙홀의 소리도 함께 선보인 것이다. X선, 광학 광선, 전파에 서로 다른 음역대를 적용하여 소리를 추출한 것이다. 그림에서도 보이다시피 위에서부터 보라색 선, 청색 선, 주황색 선이 그려진 세 층의 음성이 나온다.

처녀자리 은하단 M87 블랙홀의 가청화하여 나온 3층의 음성

보라색은 CXO발 X선이며 파란색은 나사 허블우주망원경 빛, 오렌지색은 칠레 아타카마 대형 밀리미터파 서브 밀리미터파 간섭계 관측 데이터를 나타낸다. 또, 왼쪽 가장 밝은 부분이 블랙홀 관측 위치이며 여기에서 오른쪽 위로 제트가 뿜어내는 형태로 생성되어 있다.

NASA뿐만 아니라 미국 MIT에서도 또 다른 블랙홀의 소리를 공개하였다. 연구진은 그 연구 과정을 올해 5월 1일 ’The Astrophysical Journal’에 발표하였다. 5월 6일 기준 다운로드 횟수는 4000번을 넘을 정도로 관심이 높았다. 블랙홀은 주변에 빛, 별, 가스, 구름 등 온갖 것들과 반응하며 이 과정에서는 분명 소리 등의 무엇이든 반응이 있을 것이다. 이를 MIT의 음악팀이 블랙홀에서 나오는 메아리 소리를 분석하여 음향화하였다. Kerr black hole이라는 블랙홀 주변 가속하며 회전하는 디스크를 시뮬레이션하여 소리를 계산해내 얻어낸 결과이다. 하얀 원은 블랙홀의 사건지평선의 위치를 표시하고 빛의 에코는 관측되는 주파수에 따라 색칠되었다.

MIT에서 공개한 블랙홀의 에코

그렇다면 우주에 나가면 어떠한 소리를 들을 수 있을까?

우주에도 음파를 전달할 수 있는 기체가 있다. 하지만 성간 가스는 지구의 대기보다 훨씬 덜 조밀하다. 공기 1세제곱센티미터에는 3000×1억×1억 개의 원자가 있지만, 깊은 우주에는 그 공간에 평균 2개도 채 안 들어 있다. 당신이 성간 가스 구름 안에서 나오는 소리를 듣겠다고 그 가장자리에 선다면, 당신의 고막에 부딪히는 원자는 1초에 겨우 몇 개에 불과하다. 너무 적어서 당신은 아무 소리도 듣지 못한다. 극도로 민감한 마이크를 쓰면 좀 나을지 모르지만, 사람은 우주에서 사실상 귀가 안 들리는 것이나 다름없다. 우리 귀는 그렇게 민감하지 않다. 설령 당신이 폭발하는 초신성 옆에 서 있다 할지라도, 폭발로 분출하는 가스는 급속히 팽창하여 아주 빠르게 밀도가 낮아질 것이므로, 당신 귀에는 거의 아무것도 들리지 않을 것이다. 소리는 예를 들어, 화성에서도 잘 전달되지 않는다. 화성 대기는 밀도가 우리 대기의 1퍼센트에 불과하다. 지구에서는 외치는 소리가 공기에 흡수되기 전에 1킬로미터를 나아갈 수 있다. 화성에서는 15미터 거리에서도 들리지 않을 것이다.


이번 발견은 새 우주 개척의 신호탄

우리 인간이 블랙홀 안의 정보를 얻어낼 수만 있다면 마침내 인류의 숙원인 모든 이론의 통합이 이루어질 수 있다고 한다. 하지만 인류는 블랙홀의 소리까지 들었으나 아직까지도 가야할 길이 너무 멀다. 블랙홀의 중심에는 시공간의 곡률과 밀도가 무한이 되는 특이점이 존재한다. 별들이 0의 크기로 수축하고 이때 특이점이 형성되며 여기서 시간이 멈춘다. 이곳에서는 모든 물리법칙이 붕괴된다. 과연 분모가 0인 값이 존재할까? 블랙홀에서는 존재한다. 블랙홀에서 특이점의 직경은 0이기 때문이다. 우리가 봐야 할 곳은 모든 물리법칙이 붕괴되는 이 특이점이다. 우리는 아직까지 블랙홀의 근처만 보고 듣고 있을 뿐이다. 알베르트 아인슈타인은 이와 같이 말하였다. “블랙홀은 신을 0으로 나눈 곳을 의미한다”.

블랙홀에서 전해지는 음파는 은하 사이 성단의 뜨거운 가스가 플라즈마를 통해 에너지를 수송할 때 가스를 가열하는 메커니즘으로 여겨지고 있으며 이 온도가 별을 형성하기 위한 조절에 도움이 되기 때문에 음파가 은하단 진화에 중요한 역할을 하고 있을 가능성이 있다. 관측한 시각 데이터를 소리로 음향화하여 변환하는 것은 우주에 대한 호기심을 채워줄 뿐만 아니라 과학적 가치와 중요성도 기대되고 있다.

 

허승우 학생기자 | Physics & Earth Sci. | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news

[2] https://www.youtube.com/watch?v=dhNyvbqEdGk&t=25s

[3] https://www.youtube.com/watch?v=iIeIag2Ji8k

첨부한 이미지 출처

[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news

[2] https://www.youtube.com/watch?v=jiideYPlOYY&ab_channel=ChandraX-rayObservatory

[3] https://www.youtube.com/watch?v=iIeIag2Ji8k

첨부한 동영상 출처

[1] https://www.youtube.com/watch?v=sKSVIbUNa3k&t=18s

[2] https://www.youtube.com/watch?v=iIeIag2Ji8k



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