2020 노벨물리학상 ‘블랙홀의 존재 입증’ 3명 공동 수상

로저 펜로즈 영국 옥스퍼드대 교수, 라인하르트 겐첼 버클리캘리포니아대 교수, 앤드리아 게즈 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대 교수 등 3명 공동 수상 

“우주에는 반드시 모든 것을 빨아들이는 특이점이 있다” 수학적 증명

2020 노벨물리학상은 블랙홀의 존재 입증한 3명의 과학자들이 공동 수상했다.(노벨위원회).jpg

2020년 노벨물리학상 수상의 영예는 블랙홀의 존재를 확인하며 우주의 비밀에 한 발자국 더 다가간 3명의 과학자에게 돌아갔다. 특히 올해 물리학상은 알베르트 아인슈타인의 일반상대성 이론을 이론적으로, 또 실험적으로 입증한 과학자들에게 수여돼 ‘아인슈타인 헌정상’으로도 불린다.

블랙홀의 존재를 입증하다

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 6일(현지시각) 로저 펜로즈(89) 영국 옥스퍼드대 교수, 라인하르트 겐첼(68) 독일 막스플랑크 외계물리학연구소장 겸 미국 버클리캘리포니아대 교수, 앤드리아 게즈(55) 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대 교수 등 3명을 올해 노벨물리학상 수상자로 선정했다고 밝혔다.

노벨위원회는 “펜로즈 교수는 일반 상대성 이론을 통해 블랙홀 형성을 설명할 수 있다는 사실을 밝혀냈다”며 “겐첼 교수와 게즈 교수는 우리 은하 중심에 거대 질량의 블랙홀이 있다는 사실을 밝혀냈다”고 선정 이유를 설명했다.

로저 펜로즈 교수는 세계적인 물리학자였던 고(故) 스티븐 호킹 박사와 함께 일반 상대성 이론을 바탕으로 블랙홀이 어떤 모습을 가져야 하는지를 상세히 기술하고 증명해낸 인물로 평가받는다.

학계에서는 스티븐 호킹 박사가 사망하면서 고령인 로저 펜로즈 교수가 사망하기 전에 노벨위원회가 노벨상을 수상했을 것으로 내다봤다. 호킹 박사가 생존해 있었다면 아마도 같이 노벨상을 수상했을 것이라는 관측이다. 스티븐 호킹 박사는 2018년 사망했으며, 노벨상은 사후에 수여하지 않는 것이 원칙이기 때문이다.

펜로즈 교수는 일반 상대성 이론을 통해 블랙홀 형성을 설명할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.(노벨위원회)

라인하르트 겐첼 소장과 앤드리아 게즈 교수는 우리 은하 중심에 태양 질량의 400만배 정도 되는 초대형 블랙홀이 있다는 증거를 찾아냈다. 이들은 이를 찾아내기 위해 칠레에 위치한 유럽 남천문대에서 10년 이상 별의 공전 운동을 적외선 망원경을 통해 관측한 것으로 알려졌다.

학계에서는 펜로즈 교수는 이론적으로는 예견됐지만 실제 존재하는지에 대한 의문이 있었던 블랙홀 존재를 수학적으로 증명했고, 겐첼 소장과 게즈 교수는 최신 망원경과 관측 기술로 우리 은하계에서 블랙홀 존재를 실제로 관측한 것에 큰 의미가 있다고 봤다. 

블랙홀 관련 연구로 인한 노벨물리학상 수상은 이번이 두 번째로 나타났다. 앞서 2017년에 라이너 바이스(미국), 배리 배리시(미국), 킵 손(미국) 박사가 고급레이저간섭계중력파관측소(라이고·LIGO)로 중력파 존재를 실제로 확인하며 노벨물리학상을 공동수상한 바 있다.

노벨물리학상 상금은 1000만스웨덴크로나(약 13억원)다. 로저 펜로즈 교수가 상금 절반을 가지고, 다른 두명이 나머지 상금을 절반씩 나눠 받게 된다.

수상자들 ‘블랙홀’ 연구 살펴보기

펜로즈 교수는 우주에서 블랙홀이 형성될 수 있음을 이론적으로 증명해 아인슈타인의 일반상대성 이론을 처음으로 검증한 공로를 인정받았다.

아인슈타인은 1916년 일반상대성 이론을 발표했지만, 정작 본인은 블랙홀의 존재를 믿지 않은 것으로 알려졌다. 펜로즈 교수는 아인슈타인이 사망한 지 10년이 지난 1965년 일반상대성 이론을 토대로 공간에 모든 것을 빨아들이는 점이 수학적으로 있을 수 있다는 사실을 증명했으며, 이는 곧 블랙홀의 존재를 증명한 것이다.

특히 펜로즈 교수는 1960년대 말 고(故) 스티븐 호킹 박사와 공동 논문을 발표하며 ‘호킹-펜로즈’ 이론을 낸 것으로도 주목받았다. 이 이론 역시 아인슈타인의 일반상대성 이론이 맞는다면 우주는 반드시 특이점(Singularity)으로부터 시작했을 것이라는 이론을 수학적으로 증명한 것으로 평가받았다.

펜로즈 교수는 블랙홀이 안정적인 과정을 거쳐 만들어진다는 사실을 증명하기 위해 상대성이론을 연구할 때 쓰이는 수학적 이론을 확장한 것으로 나타났다. 그는 이 내용을 1965년 ‘중력 붕괴와 시공간 특이점’이라는 논문을 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표했으며, 이 논문은 아인슈타인 이후 일반상대성이론에 가장 크게 기여했다고 평가받고 있다.

펜로즈 교수는 우주는 반드시 특이점(Singularity)으로부터 시작했을 것이라는 이론을 수학적으로 증명했다.(노벨위원회)

펜로즈 교수는 블랙홀들이 일반적인 환경에서 형성될 수 있든지 없는지에 관한 질문으로 혼란스러워 한 것으로 알려졌다. 영국 버벡컬리지 수학과에서 근무하던 1964년 펜로즈 교수는 동료와 산책하는 도중 불현듯 수학적 아이디어를 떠올렸다. 펜로즈 교수는 이 아이디어를 사용해 블랙홀들은 항상 특이점을 감추고 있다는 사실을 증명했다. 펜로즈 교수는 이 아이디어를 이용해 ‘특이점 정리’를 증명했으며, 펜로즈가 이 증명에 쓴 위상수학적인 방법들은 현재 휘어진 우주에 관한 연구에서 매우 유용하게 쓰이고 있다.

사제지간인 겐첼 소장과 게즈 교수는 1990년대 중반부터 우리은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀을 연구해왔다. 이들은 우리 은하 중심에 태양 질량의 400만배 정도 되는 초대형 블랙홀이 있다는 증거를 찾아낸 공로를 인정받았다.

특히 이들은 1990년대 초부터 연구를 시작해, 지구에서 약 2만6000광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 우리 은하 중심에서 태양 질량의 400만배나 되는 초대형 블랙홀인 ‘궁수자리 A*’를 발견했다

이들은 보이지 않고 극도로 무거운 초대질량 밀집성, 즉 백색왜성, 블랙홀, 중성자별이 우리 은하의 중심에 있는 별들의 궤도를 지배한다는 사실을 발견했다는 평가를 받고 있다.

이런 초대질량 블랙홀 주위를 도는 별이 아인슈타인의 일반상대성 이론이 예견한 대로 궤도를 그리고 있다는 사실을 망원경으로 처음 관측해 학계의 주목을 받았다. 그간 이론적으로만 존재 가능성이 입증됐던 블랙홀의 존재가 처음으로 관측된 것이다.

블랙홀은 볼 수 없지만, 블랙홀의 큰 중력이 주변 별들의 움직임에 어떤 영향을 주는지 관찰하면 특성을 찾아낼 수 있는 것으로 알려졌다. 우리은하는 10만 광년에 걸친 평평한 원반 모양으로 가스와 먼지, 수천억 개의 별들로 구성됐다. 지구에서는 성간 가스와 먼지구름이 은하 중심에서 오는 가시광선을 가려 별을 볼 수 없게 되는 것.

이에 겐첼 소장과 게즈 교수는 먼지구름과 가스 너머를 볼 수 있는 적외선 망원경과 전파망원경을 통해 우리 은하 중심을 연구해 왔다. 은하 중심 주변 별의 궤도를 통해 겐첼 소장과 게즈 교수는 중심에 보이지 않는 거대한 물체가 숨어있다는 가장 확실한 증거를 제시한 것으로 나타났다. 별들의 움직임을 설명할 수 있는 것은 블랙홀뿐이기 때문이다.

노벨상위원회도 두 사람의 관측 덕분에 우리은하 중심에 엄청나게 무거운 별이 존재한다는 사실이 처음 확인됐고, 이는 현재 초대질량 블랙홀의 존재를 설명할 수 있는 유일한 증거라고 선정 이유를 밝혔다.

노벨물리학상 역대 4번째 여성 수상자

앤드리아 게즈 교수는 1903년 마리 퀴리, 1963년 괴퍼트 마이어, 2018년 도나 스트리클런드에 이어 노벨물리학상을 수상한 네 번째 여성 물리학자로 이름을 올리게 됐다. 이는 36세에 노벨물리학상을 받은 마리 퀴리 이후 역대 최연소 여성 수상자다. 1901년 첫 수상자가 나온 노벨 물리학상 수상자 216명 가운데 여성은 4명에 불과할 정도로 이 분야에서 여성이 선정된 것은 매우 드문 일이다.

게즈 교수는 1965년 미국 뉴욕에서 태어났다. 1992년 패서디나 캘리포니아 공과대학에서 박사 학위를 받았으며 현재 로스앤젤레스 캘리포니아대학에서 교수로 활동하고 있다. 게즈 교수는 수상 소감으로 “젊은 여성들이 과학계로 오는 계기가 되길 희망한다”며 “이곳은 즐거움이 매우 많을 뿐만 아니라 과학에 대한 열정이 있다면 할 수 있는 일이 너무 많다”고 밝혀 주목받았다.

류아연 미주 특파원 / 마리아나 백 노벨재단 담당 국제위원