최종편집2024-04-27 11:59 (토)

[미디어파인 칼럼 = 이상원 기자] 블랙홀이 우주에 존재함은 이미 널리 알려진 사실이다. 천문학자들은 블랙홀이 행성을 삼킬 때  방출되는 엑스레이를 감지했고, 블랙홀 충돌로 인한 중력파를 분석했으며, 블랙홀을 촬영하기까지 했다.

하지만 콜롬비아 대학의 수학자 엘레나 조르기는 다른 방법으로 블랙홀을 연구한다. 조르지는 블랙홀이 아인슈타인 방정식의 수학적 해결책이며 일반 상대성 이론의 기초가 되는 마스터 방정식이라고 말한다.

그녀와 다른 수학자들은 이러한 해들에 대한 정리들을 증명하고 일반 상대성 이론의 수학을 탐구하려고 한다. 그들의 목표는 블랙홀에 대한 예상치 못한 진실을 밝혀내거나 기존의 의혹을 검증하는 것이다.

일반 상대성 이론 연구소의 수학자인 크리스토프 켈레는 일반 상대성 이론 내에서 블랙홀의 형성, 진화, 안정성의 본질에 관한 질문들을 해결할 수 있다고 말한다.

작년에 게시된 논문에서 조르기와 동료들은 블랙홀의 안정성에 대한 오랜 수학적 문제를 해결했다. 안정적인 블랙홀은 수학적으로 찌르거나, 밀거나, 방해받으면 결국 다시 원래 블랙홀이 된다. 고무줄이 늘어났다가 되돌아가는 것처럼 블랙홀은 찢어지거나 폭발하는 것이 아닌 예전의 모습으로 되돌아간다.

블랙홀은 물리적으로 굉장히 안정적이다. 그렇지 않으면 우주에서 견딜 수 없기 때문이다. 하지만 이를 수학적으로 증명하는 것은 다른 일이다. 블랙홀이 안정적이라면, 블랙홀을 설명하는 수학은 그 안정성을 더 잘 반영해야 한다. 그렇지 않으면 기본 이론에 무엇인가 문제가 있기 때문이다.

수학은 블랙홀 영역에서 크게 기여한 역사가 있다. 1916년, 카를 슈바르츠실트는 단일 구형 질량 근처의 일반 상대성 이론에 대한 아인슈타인 방정식의 해를 발표했다. 해당 연구는 블랙홀의 초기 징후인 질량이 얼마나 작은지에 대한 한계를 보여주었다. 최근에는 영국 수학자 로저 펜로즈는 블랙홀이 일반 상대성 이론의 실제 세계 예측이라는 것을 보여준 계산으로 2020년 노벨 물리학상을 수상했다.

불과 몇 년 전인 1963년, 뉴질랜드 수학자 로이 커는 회전하는 블랙홀에 대한 아인슈타인의 방정식에 대한 해결책을 발견했다. 이것은 블랙홀의 판도를 바꿨다. 회전하는 블랙홀은 카를 슈바르츠실트가 방정식을 풀었던 회전하지 않는 블랙홀보다 훨씬 더 현실적인 천체물리학적 물체였다.

블랙홀에 대해 관찰하고 분석하는 천문학자들도 크게 기여하지만, 일각에서 수학으로 풀이하는 뛰어난 학자들도 천문학 발전에 큰 공헌을 하고 있다

[이상원 칼럼니스트] 
고려대 산업경영공학과(휴학 중)
미디어파인 대학생칼럼니스트 겸 기자