개요
2022년 5월 12일 국제 협력 프로젝트 ‘사건지평선망원경(Event Horizon Telescope, EHT)’ 연구진이 인류 최초로 블랙홀의 모습을 카메라에 담았다고 발표했다(Figure 1). 이번 블랙홀의 존재에 대한 직접적인 증거를 확인했다는 데 가장 큰 의의가 있다. 전파 망원경을 통해 블랙홀의 존재는 확인하고 있었으나, 육안으로 확인 가능한 영상을 포착한 적은 이번이 처음이기 때문이다.
Figure 1. Black hole(Sagittarius A*) imaged by the EHT(Event Horizon Telescope)
우선 블랙홀의 개념을 이해하기 위해서는 항성의 진화 과정을 알아볼 필요가 있다. 인간에게 탄생과 죽음이 있듯 항성(Star)에도 탄생과 죽음이 있는데 블랙홀은 항성의 사멸과 밀접한 관련이 있다. 항성은 원시성(Protostar)을 시작으로 전주계열성(Pre-main Sequence Star), 주계열성(Main Sequence Star), 후주계열성(Post-main Sequence Star)을 거쳐 죽음에 이른다(Figure 2).
Figure 2. Stella evolution process(NASA and Night Sky Walk, 2014)
Note : The left side of the nebula shows the evolution of stars with relatively low mass, and the right side shows the evolution of stars with relatively high mass
최초의 원시성은 우주에 존재하는 성간 물질(Interstellar Medium)의 중력붕괴를 통해서 형성된다. 원시성에서 수소 핵융합이 일어나기 직전까지의 상태를 전주계열성, 수소 핵융합으로 인한 압력과 중력이 정역학적인 평형을 이루어 안정적으로 수소 핵융합이 일어나는 상태를 주계열성, 그리고 원시성 내부의 수소를 모두 소진하여 수소 핵융합이 멈추고, 항성의 자체 질량에 의해서 붕괴하는 상태를 후주계열성이라고 한다(Frank HS, 1977; Hirohiko M and Shu-ichiro I, 2000). 후주계열 단계에서 질량이 작은 항성은 행성상성운(Planetary Nebular)을 거쳐 백색왜성(White Dwarf)으로 일생을 마무리하며, 질량이 큰 항성은 초신성 폭발(Supernova)을 거쳐 중성자별(Neutron Star)을 남기거나 블랙홀(Black Hole)이 되기도 한다(Woosley SE et al., 2002; Eggleton PP, 1971). 백색왜성과 중성자별은 상대적으로 관측이 용이하여 과거에 존재가 이미 확인되었지만(Shatzman E and Kiess CC, 1958; Hewish A et al., 1968), 블랙홀은 강력한 중력으로 인해서 빛조차 탈출할 수 없는 천체이므로 지금까지 관측하기가 아주 어려웠고 최근 들어 관측에 성공하였다(Akiyama K et al., 2019).
이번 Pluto Report에서는 현대 천문학의 최전선에 있는 블랙홀 연구의 역사와 더불어, 과거부터 현재에 이르기까지 전반적인 연구 동향 및 국가와 기관별 연구 동향에 대해서 분석해 보았다.
블랙홀의 역사
빛조차 탈출하지 못하는 천체라는 개념으로서 현대 블랙홀의 시초가 되는 ‘암흑성(Dark Star)’은 1783년에 영국의 성직자이자 자연 철학자인 존 미첼(John Michell)에 의해서 처음으로 제시되었다(Michell J, 1784). 이 당시에는 질량이 없는 빛이 중력의 영향을 받는다는 개념을 이해할 수 없었기 때문에 암흑성에 관한 관심은 빠르게 줄어들어 연구가 진행되지 않았다.
이후 1915년 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 ‘일반 상대성 이론’이 등장하면서, 강한 중력이 빛의 왜곡을 만들어 낸다는 중력 렌즈 효과가 알려졌고, 이에 따라 블랙홀에 대해 다시 관심이 모아졌다(Einstein A, 1915).
1916년에는 독일의 물리학자 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)가 일반 상대성 이론으로부터 얻어진 아인슈타인 방정식에 대한 해석적인 해(Analytical Solution)를 계산하였다(Schwarzschild, 1916). 이 해는 물체가 블랙홀이 되기 위한 임계 반지름을 나타내며 임계 반지름은 물체의 질량에 비례한다. 이 반지름은 슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild Radius)이라고 불리며, 슈바르츠실트 반지름으로 정의되는 구면은 빛조차 탈출할 수 없는 임계 지점인 사건의 지평선(Event Horizon)으로 명명된다(Frinkelstein D, 1958). 사건의 지평선을 넘어서면 모든 물체는 특이점(Singularity)으로 수렴하게 된다 (Oppenheimer JR and Snyder HS, 1939).
1931년에는 인도의 물리학자 수브라니안 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar)가 전자의 축퇴압이 항성의 질량에 의한 중력붕괴를 저항할 수 있는 한계를 계산하였으며, 이를 찬드라세카르 한계(Chandrasekhar Limit)라 한다(Chandrasekhar S, 1931). 이 질량한계를 넘어서는 항성은 자체 질량을 버티지 못하고 중력붕괴가 진행되며 초신성 폭발이 얼어난다. 초신성 폭발 이후, 항성의 초기 질량에 따라서 중성자별 혹은 블랙홀이 된다.
1939년에는 미국의 물리학자 리처드 톨먼(Richard Chace Tolman), 로버트 오펜하이머(Julius Robert Oppenheimer) 그리고 캐나다의 물리학자 조지 볼코프(George Volkoff)가 찬드라세카르 한계와 유사한 톨먼-오펜하이머-볼코프 한계(Tolman-Oppenheimer-Volkoff Limit, TOV Limit)를 계산하였다(Oppenheimer JR and Volkoff G, 1939). 이 질량한계를 넘어서는 항성은 중성자별이 되지 못하고 블랙홀이 된다.
이와 같이 블랙홀에 관한 지속적인 연구에도 불구하고, 1960년까지도 블랙홀의 존재는 자연에 실재하는 것이 아닌 이론적으로 존재하는 것으로 여겨졌다. 그러나 1965년 영국의 물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)의 특이점(Singularity) 정리에 의해 블랙홀이 자연에서 물리적으로 실존함을 인정받게 되었다(Penrose R, 1965). 로저 펜로즈는 이러한 공로로 2020년 노벨 물리학상을 수상하였다.
이후 질량, 전하, 그리고 각운동량의 3가지 정보만 갖는다는 털없음 정리(No-Hair Theorem)(Israel W, 1967; Carter B, 1971), 블랙홀의 물리적인 특성을 열역학으로 해석한 블랙홀 열역학(Black Hole Thermodynamics)(Benkenstein JD, 1973), 블랙홀이 입자를 방출한다는 이론인 호킹 복사(Hawking Radiation)(Hwaking SW, 1975)등 여러 연구 결과가 차례로 발표되며 블랙홀 연구가 활발하게 진행된다.
21세기에 들어서는 블랙홀과 관련된 실체적 관측 연구의 결과가 차례로 발표되었다. 첫 번째로는, 2016년 레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)에서 두개의 블랙홀이 합쳐지면서 방출한 중력파를 검출한 것이다(Abbott BP et al., 2016). 두 번째로는, 2019년에는 사건의 지평선 망원경(Event Horizon Telescope, EHT)에서 촬영된 실제 블랙홀을 최초로 시각화 하였다(Akiyama K et al., 2019).
여기서, 두개의 블랙홀의 병합으로 인해 방출된 중력파의 검출은 아인슈타인의 일반 상대론에 의한 중력파의 존재 예측이 맞았음을 보여준다는 의의 또한 갖는다.
Figure 3. Time series on the history of Black hole
블랙홀 연구의 동향
1) 연도별 추이
2004-2023년까지 20년간 출판된 블랙홀 관련 연구 논문 데이터를 분석하였다. <Figure 4>은 2004-2023년에 출판된 총 논문수의 그래프이다. 블랙홀 관련 논문은 2004-2021년까지 증가하는 경향을 보이다가, 2022년에 급격하게 감소하는 경향을 보인다. 2016년에 출판된 논문수가 크게 증가하고, 증가된 경향성이 2021년까지 지속되는 것으로 보인다. 이는 LIGO의 중력파 검출 가동 기간을 통해서 이해할 수 있다 (Figure 6). LIGO에서 검출된 중력파는 대부분 2개의 블랙홀이 병합되는 과정에서 발생한 것을 검출한 것이기 때문에, 블랙홀 연구와 직접적인 연관성이 있다.
Figure 4. Number of academic papers of Blackhole
Figure 5. Average 1st-year citations of Blackhole research
첫번째 가동인 O1 관측이 논문수가 급격하게 증가하는 구간인 2015-2016년과 일치하고, 이후 두번째 가동과 세번째 가동인 O2, O3 관측에서 중력파를 지속적으로 검출하면서 2021년까지 논문수가 증가하는 것으로 볼 수 있다. 이후, COVID-19 팬데믹으로 인해 LIGO의 O3 관측이 2020년 3월 27일에 중단되면서 2021-2022년에 논문이 급격하게 감소한 것으로 이해할 수 있다. 2023년 5월 24일부터 O4 관측이 가동되면서 출판 논문수는 증가할 것으로 보인다.
<Figure 5>는 2004-2023년에 출판된 블랙홀 논문의 첫 해 피인용수의 평균이다. 첫 해 피인용수는 논문이 출판된 시점으로부터 1년 동안 받은 피인용수를 의미한다. 첫 해 피인용수의 평균은 2009년, 2016년, 2017년, 2019년 그리고 2020년에 크게 증가하는 경향을 보인다. 이는 영향력 있는 블랙홀 논문이 출판된 해와 일치한다. 2009년은 양자 중력 이론 중 하나인 호르바-리프시츠 중력(Hořava-Lifshitz Gravity) 이론이 출판된 해로(Hořava P, 2019), 해당 양자 중력 이론을 이용하여 블랙홀의 성질을 설명하려는 논문들이 다수 출판되었다. 2016-2017년은 LIGO에서 인류 최초의 중력파 검출 논문과 더불어 이후 지속적으로 검출한 중력파에 관한 논문이 출판되었다(Figure 5). 2019년에는 중력파 검출 논문뿐 아니라, EHT에서 관측한 실제 블랙홀의 모습을 최초 시각화한 논문을 출판하였다. 또한 2020년에는 LIGO의 O3에서 검출된 중력파 논문이 출판되었다. 즉, 블랙홀 연구에 큰 영향력 끼친 논문이 출판된 해에 첫 해 피인용수가 크게 증가하는 것으로 볼 수 있으며, 이는 <Figure 5>를 통해 직관적으로 이해할 수 있다.
Figure 6. The gravitational-wave observing schedule of LIGO, Virgo and KAGRA(NASA GCN, 2024)
Note : LIGO, Virgo, and KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) are interferometers built by the United States, the European Union, and Japan, respectively
2) 국가별 연구 성과
2004-2023년 20년간 출판된 블랙홀 논문을 국가별로 분석하였다. 이 때 국가는 논문의 1저자가 논문을 발표할 당시 소속된 기관의 국가로 설정하였다.
<Figure 7>은 논문수 상위 10개국의 20년간의 논문수(양적 성과) 히스토그램과 첫 해 피인용수의 평균(질적 성과)을 나타낸 그래프이다. 논문수 상위 10개국 중 과반수에 해당하는 국가(미국, 영국, 독일, 이탈리아, 캐나다, 프랑스)는 서양 국가이며, 첫 해 피인용수의 평균도 서양 국가에서 전반적으로 높게 나타난다. 특히 미국의 경우 두 지표 값이 모두 높아 가장 좋은 연구 성과를 보여주고 있다.
Figure 7. Number of academic papers(box) and average 1st-year citations(line) of Blackhole research by country
<Figure 8>은 논문수와 첫 해 피인용수의 평균을 각각 x축, y축으로 하여 그린 산점도이다. 이 그림을 통해서 국가별 성과를 더 직관적으로 확인할 수 있다. 미국의 경우 양적, 질적 성과 모두 가장 높은 수준의 성취를 보여주며 블랙홀 연구를 이끌어 나가는 나라로 볼 수 있다. 영국과 독일은 미국에 비해 양적 성과는 상대적으로 낮으나, 높은 수준의 질적 성과를 보여 주고 있다. 이어 캐나다, 프랑스, 이탈리아 그리고 일본도 괜찮은 수준의 질적 성과를 보여 주고 있는 반면, 인도, 중국 그리고 러시아는 상대적으로 낮은 수준의 질적 성과를 보여준다. 특히, 중국의 경우는 많은 양의 논문을 작성하는 것에 비해 질적 성과는 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.
전반적으로 블랙홀 연구는 서양 국가에서 주도적으로 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이는 중력파를 검출하는 간섭계 LIGO와 Virgo가 각각 미국과 유럽연합의 주도로 건설된 것과 연관이 있다고 짐작할 수 있으며, 마찬가지로 일본도 자체적으로 건설한 간섭계인 KAGRA를 가지고 있으므로 블랙홀 관련 연구 성과에 영향을 주었다고 볼 수 있다. 즉 블랙홀 관련 연구는 중력파 연구와 밀접한 관계가 있으며, 중력파 연구에 관심도가 높은 나라들이 블랙홀 연구에서 높은 성취를 보이는 것으로 볼 수 있다.
Figure 8. Total number of publications and average 1st-year citations of Black hole by country
Note : x axis – Total number of publications, y axis – Average 1st-year citations
3) 기관별 연구 성과
2004-2023년 20년간 출판된 블랙홀 논문을 기관별로 분석하였다. 여기서, 기관은 논문의 1저자가 논문 발표 당시에 소속된 기관으로 설정하였다.
<Figure 9>는 논문수 상위 10개국의 20년간 논문수 히스토그램과 첫 해 피인용수의 평균을 나타낸 그래프이다. 논문수 상위 10개 기관 중 4개의 기관이 미국의 기관이며(Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian, California Institute of Technology, Princeton University, University of Michigan), 그 다음으로는 일본(Kyoto University, The University of Tokyo), 영국(University of Cambridge), 독일(Max Plank Institute), 중국(Chinese Academy of Science) 그리고 네덜란드(University of Amsterdam)의 기관 순서로 나타난다. 첫 해 피인용수의 평균은 캘리포니아 공과대학에서 가장 높고, 프린스턴 대학이 그 뒤를 잇는다. 그 외 중국 과학원을 제외하면 대부분의 기관에서 비슷한 수준의 연구 성과를 보여주고 있다.
Figure 9. Number of academic papers(box) and average 1st-year citations(line) of Blackhole research by institution
<Figure 10>은 논문수와 첫 해 피인용수를 각각 x축, y축으로 하여 그린 산점도이다. 이 그림을 통해서 기관별 성과를 더 직관적으로 확인할 수 있다. 캘리포니아 공과대학은 양적, 질적 성과 모두 가장 높은 기관임에 따라 블랙홀 연구를 이끌어 나가는 기관으로 볼 수 있다. 중국 과학원을 제외한 기관들은 논문수의 차이는 있지만, 질적 성과에서는 큰 차이를 보이지 않는다. 중국 과학원의 경우, 출판되는 논문수 대비 상대적으로 낮은 수준의 질적 성과를 보여준다.
국가별 연구 동향 및 성과 결과(Figure 7, 8)와 비슷하게 기관별 연구 역시 서양과 일본의 기관이 평균적으로 평이한 질적 성취 수준을 유지하며, 중국의 기관이 상대적으로 낮은 질적 성취 수준을 보인다. 전반적으로 블랙홀 연구는 각 나라의 상위권 대학 및 기관에서 수행하는 것을 확인할 수 있다. 이는 블랙홀 연구가 현대 천문학의 최전선 연구이기 때문에 연구자의 역량 및 기관의 지원이 중요한 요소로 작용하는 것으로 볼 수 있다.
Figure 10. Total number of publications and average 1st-year citations of Black hole by institution
Note : x axis – Total number of publications, y axis – Average 1st-year citations
요약
블랙홀 연구는 현대 천문학의 최전선이며, 과거부터 현재까지 꾸준하게 연구되어 오고 있다. 특히 최근 기술의 발전으로 블랙홀의 관측 데이터를 시각화 할 수 있게 되었으며, 블랙홀의 병합으로 발생한 중력파를 검출할 수 있게 되었다.
블랙홀과 중력파를 관측하기 위해서는 막대한 비용이 들어가는 관측 장비들이 필요하기 때문에LIGO 협력, Virgo 협력, 그리고 EHT 협력 등 전세계의 국가들이 거버넌스를 가지고 협력하여 연구를 주도하고 있는 추세이다.
무엇보다 블랙홀에 대한 연구를 수행하기 위해서는 연구의 난이도 특성상 연구자의 역량이 중요할 뿐 아니라 막대한 재정적 비용이 필요하기 때문에 기초과학에 많은 투자를 하는 국가(Figure 7, 8) 그리고 연구 역량이 뛰어난 기관(Figure 9, 10)이 연구를 주도하고 있다고 볼 수 있다.
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