0. 목차
- 미니 블랙홀
- 미니 블랙홀은 암흑 물질인가?
- '미니 블랙홀'로 끈이론을 검증한다.
1. 미니 블랙홀
우리가 주로 아는 블랙홀들은 주로 '항성 질량 블랙홀(Stellar-Mass black Hole)'이나 '거대 질량 블랙홀(Super Massive Black Hole)' 등 비교적 큰 블랙홀들이다. 하지만 소립자 크기의 '미니 블랙홀(Mini Blackhole)'이 있을지도 모른다는 설이 있다. 이론적으로는 아무리 작은 것이라도, 아주 작아지면 블랙홀이 된다. 하지만 질량이 작은 것을 그렇게까지 압축할 수 있는 자연 현상은 아직 알려져 있지 않다. 그러면 어떻게 '미니 블랙홀'이 만들어졌을까?
'미니 블랙홀'의 제창자인 영국의 물리학자 '스티븐 호킹(Stephen William Hawking, 1942~2018)' 박사 등에 의하면, '미니 블랙홀'은 우주 초기에 만들어졌다고 한다. 미니 블랙홀이 생기려면 매우 고밀도의 조건이 필요한데, 그런 조건에 어울리는 것은 빅뱅 직후밖에 없다. '스티븐 호킹' 박사에 의하면, 빅뱅이 일어난 뒤 10-44초 정도 지났을 무렵에 물질 밀도의 요동이 극단적으로 고밀도가 된 곳에서 '미니 블랙홀'이 생겼다고 한다. 이는 '양성자(Proton)'와 '중성자(Neutron)' 등에서 원소가 합성되는 시기보다도 훨씬 전이다.
미니 블랙홀의 크기도 여러 가지라고 한다. 그 질량은 10-5~10-15g 정도일 것이라고 생각되지만, 어쩌면 원자 크기의 비교적 큰 미니 블랙홀이 만들어졌을지도 모른다. 계산에 의하면, 이때 만들어진 블랙홀 가운데 질량이 10억 t 이상, 반지름이 10-13cm 이상인 것은 현재까지도 살아남았을 가능성이 있다고 한다. 만약 10억 t의 미니 블랙홀이 지구와 만나 지구 내부에서 멈추었다면, 약 3억 년 만에 지구를 삼켜버린다는 계산이 나온다고 한다.
2. 미니 블랙홀은 암흑 물질인가?
우주에는 '눈에 보이는 물질' 외에도 '눈에 보이지 않는 물질'이 있는데, 이러한 물질을 '암흑 물질(Dark Matter)'이라고 한다. 여기서 '눈에 보인다'는 것은 '가시광선'뿐만 아니라 '전파'나 'X선' 등 다른 파장의 전자기파로 관측할 수 있는 대상이 모두 포함된다. 은하의 운동은 중력에 의해 지배되므로, 은하의 운동을 보면 은하에 어느 정도의 질량이 있는지를 추정할 수 있다. 하지만 그 질량이 눈에 보이는 물질을 합친 질량보다 훨씬 많은 것으로 알려져 있다. '눈에 보이지 않는 그 물질'이 '암흑 물질'이다. 하지만 아직 '암흑 물질'의 정체는 파악하지 못했다.
그런데 '암흑 물질'의 정체가 우주 탄생기에 태어난 '미니 블랙홀'이라는 설이 있다. '스티븐 호킹' 박사에 의하면, 10억 t 이하의 미니 블랙홀은 이미 증발해 버렸으므로, 우주에 남아있을 가능성이 있는 것은 이보다 큰 미니 블랙홀이라고 한다.
우주에는 암흑물질을 설명할 수 있을 만큼 우주 초기에 만들어진 원소의 존재량이 많지 않다. 그래서 보통의 블랙홀은 암흑 물질의 후보가 될 수 없다. 왜냐하면 보통의 블랙홀은 원소로 만들어진 항성이 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남은 것이기 때문이다. 즉, 원소에서 유래한 것은 암흑 물질의 후보가 될 수 없다. 한편, 미니 블랙홀은 원소가 생기기 전 '원시 물질'에서 만들어졌으므로, 원소의 양에 관계없이 암흑 물질의 후보가 될 수 있다고 보는 것이다.
3. '미니 블랙홀'로 끈이론을 검증한다.
'끈이론(String Theory)'은 우주 전체를 대상으로 삼고 있으므로, 실험을 통해 검증하려면 일단 실험실에서 우주를 만들어낼 수 있어야 한다. '중력(Gravity)'의 양자적 효과는 현재 우리가 보유하고 있는 강력한 입자가속기보다 1015배나 큰 에너지 영역에서 나타나기 때문에, 끈이론을 실험으로 검증하는 것은 현실적으로 불가능하다. 그러나 우리와 불과 몇 mm 떨어진 곳에 '평행우주(Parallel Universe)'가 존재한다면, 양자적 효과는 비교적 낮은 에너지에서도 일어날 수 있으므로, LHC 같은 '입자가속기(Particle Accelerator)'를 이용하면 검증이 가능할 수도 있다.
그래서 물리학자들은 실험실에서 만들 수 있는 '미니 블랙홀'에 뜨거운 관심을 보이고 있다. '미니 블랙홀(Mini Black Hole)'은 '소립자(Elementary Particle)'와 비슷하게 행동하는 초소형 블랙홀로서, 끈이론을 검증할 수 있는 유력한 후보이다. '미니 블랙홀'의 크기는 '전자(Electron)'와 비슷하므로, 지구를 집어삼킬 걱정은 안 해도 된다. 지구와 끊임업이 충돌하고 있는 '우주선(Cosmic Ray)'입자들만 해도 미니 블랙홀보다 훨씬 큰 에너지를 갖고 있지만, 지구에 아무런 영향도 미치지 않는다.
3-1. '전자'는 '미니 블랙홀'일지도 모른다.
'소립자'와 닮은 '미니 블랙홀'의 개념을 처음 도입한 사람은 '알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)'이었다. 아인슈타인은 1935년에 소립자로 이루어진 물질들을 일종의 '시공간의 변형'으로 간주하는 '통일장이론(Unified Field Theory)'을 제시하였다. 즉, 멀리서 바라볼 때 입자처럼 보이는 전자와 같은 객체들이 실제로는 '웜홀(Worm-Hole)'의 입구일지도 모른다는 것이다. '알버트 아인슈타인'과 '네이선 로젠(Nathan Rosen)'은 이 아이디어를 한 단계 더 발전시켜 "전자는 미니 블랙홀일 수도 있다."는 파격적인 주장을 펼쳤다. 그들은 소립자를 기하학적으로 해석하여 '통일장이론(Unified Field Theory)'을 완성하려고 했었던 것이다.
3-2. 끈이론은 미니 블랙홀의 존재를 예견하고 있다.
'끈이론(String Theory)'도 미니 블랙홀의 존재를 예견하고 있다. 일반적으로, 다량의 물질이 자체 중력에 의해 응축되다가 '슈바르츠실트 반지름(Schwarzschild radius)' 이내로 작아지면 블랙홀이 형성된다. 그런데 질량과 에너지는 서로 전환될 수 있으므로, 에너지를 압축하면 블랙홀이 생성될 수도 있다. 그래서 물리학자들은 LHC를 이용해 14조 전자볼트의 에너지로 에너지로 두 개의 '양성자(Proton)'를 충돌시켰을 때, 그로부터 튀어나온 파편들 중 일부가 '미니 블랙홀'로 전환될 수도 있을 가능성을 조심스럽게 제기하고 있다. 이렇게 생성된 블랙홀은 크기가 매우 작고 질량은 전자의 1000배에 불과하며 수명도 10-23초밖에 되지 않지만, LHC를 이용하면 분명하게 관측할 수 있다. 'LHC(대형 강입자 충돌기)'는 1년에 1천만 개 정도의 미니 블랙홀을 만들고 있다.
3-3. '우주선(Cosmic Ray)'에 미니 블랙홀이 섞여 있을 가능성
물리학자들은 하늘에서 쏟아지는 '우주선(Cosmic Ray)'에 미니 블랙홀이 섞여 있을 가능성도 배제하지 않고 있다. 아르헨티나의 '피에르 오거 우주선 관측소(Pierre Auger Cosmic Ray Observatory)'에는 현재 세계에서 가장 예민한 '우주선 감지기'가 설치되어 있는데, 만약 우주선 속에 정말로 미니 블랙홀이 섞여 있다면, 이 장비에 잡힐 가능성이 매우 크다. 이론적인 계산에 의하면, 매년 10개의 미니 블랙홀이 감지될 것으로 기대되고 있다.