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우종학 교수의 블랙홀 강의
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우종학 교수의 블랙홀 강의

  • 우종학
  • |
  • 김영사
  • |
  • 2019-07-10 출간
  • |
  • 368페이지
  • |
  • 145 X 215 mm
  • |
  • ISBN 9788934996163
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북스크린영상으로 만나보는 한 권의 책 이야기

출판사서평




우주의 가장 신비로운 존재, 블랙홀의 비밀을 알아가는 매혹적인 여정
블랙홀의 정체, 기원, 특성에서 블랙홀 연구의 최전선까지 빠져드는 블랙홀 이야기!

블랙홀이란 무엇인가? 블랙홀은 실재하는가? 100년 넘게 외면받던 ‘검은 별’이라는 기이한 아이디어는 어떻게 현대 천체물리학의 주인공이 되었는가? 빛조차 빠져나올 수 없는 블랙홀이 어떻게 1,000억 개의 별빛보다 밝은 빛을 뿜어낼 수 있는가? 은하중심 거대질량 블랙홀의 기원은? 블랙홀이라는 아이디어의 탄생과 발견의 역사에서 블랙홀의 특성, 블랙홀과 은하의 공동 진화, 블랙홀을 통한 시간 여행, ‘블랙홀 그림자’ 사진에 대한 친절한 해설까지, 최전선에서 블랙홀 연구를 주도하고 있는 연구자가 직접 나서서 블랙홀을 소개하는 책 《우종학 교수의 블랙홀 강의》가 출간되었다. 별다른 과학 지식이 없는 독자들을 위해 강연체의 글에 비유와 문답, 이해를 돕는 일러스트와 풍부한 도판을 활용해 쉽고 재미있게 설명하지만, 어려운 내용도 피해가지 않고 블랙홀에 관한 주요한 주제를 두루 망라했다. 21세기 블랙홀 연구자들의 주요 관심사가 된 블랙홀과 은하의 공동 진화, 블랙홀 그림자 사진에 대한 설명, 블랙홀 씨앗에 관한 문제 등, 기존 블랙홀 책에서 찾기 어려운 최신 주제와 연구 내용까지 포함하고 있다는 것도 이 책의 장점이다.

“거대한 우주의 구조가 만들어지는 장구한 세월 동안 수많은 별을 거느린 은하들은 마치 전쟁이라도 하듯 서로 부딪혀 깨지고 뭉쳐졌으며, 그 과정에서 블랙홀들이 서로 뭉쳐지기도 했습니다. 블랙홀은 엄청난 빛과 물질들을 뿜어내며 별들이 피고 지는 은하의 진화 과정에 지대한 영향을 주었으며 우주 역사를 이끌어왔습니다. 우주라는 무대를 누빈 블랙홀의 활약상과 그 정체를 밝혀온 과학자들의 노력을 따라 블랙홀을 한번 찬찬히 만나보는 건 어떨까요.”_31쪽

은하와 중심 블랙홀의 연결고리 연구의 세계적인 권위자
서울대 우종학 교수가 들려주는 경이롭고 매혹적인 블랙홀의 세계
저자는 블랙홀 연구, 특히 관측천문학 분야에서 세계적으로 손꼽히는 학자다. 나사에서 허블 펠로십을 받았고, ‘은하와 중심 블랙홀 연결고리 연구의 세계적인 권위자’로 인정받고 있다. 연구의 탁월함을 인정받아 한국천문학회 학술상을 받기도 했다. 얼마 전 중간질량 블랙홀 관측에 성공한 연구팀을 이끈 당사자이기도 하니, 누구보다 믿음직한 블랙홀 탐사의 길잡이라고 할 수 있다. 이 책을 쓰게 된 데는 “방정식과 그래프에 갇혀 있는 블랙홀 대신, 우주에서 찬란하게 빛나는 블랙홀의 매력을 전하는 방법”을 “평생 풀어야 할 숙제”로 여기던 과학자로서의 평소 소신이 작용했다. 과학이 인기 없는 것은 대중에게 영양가 높고 신선한 과학의 내용을 먹기 좋게 요리해 선보이는 데 소홀했던 과학자들의 책임도 있다고 느끼고서 ‘블랙홀 셰프’로 나선 것이다.

“과학 연구의 긴 과정을 통해서 밝혀진 블랙홀의 비밀을 대중에게 풀어내고 싶었습니다. 흥미진진한 블랙홀의 면면을 잘 요리해서 맛나게 먹을 수 있는 음식으로 내놓고 싶었습니다. 저의 블랙홀 연구에 밑거름이 되는 따끈따끈한 내용들도 담아보고 싶었습니다. 누구나 한 번쯤 들어본 블랙홀을 누구나 이해할 수 있도록 안내하는 책을 쓰고 싶다는 동기에서 이 책이 태어났습니다.”

10년 전에 낸 《블랙홀 교향곡》이 바탕이 되었다. 애초 대부분 대화로 이루어져 있던 글을 강연체로 바꾸고 불필요한 것들을 덜어내 형식은 간소화하는 대신 내용은 대폭 보강해 분량이 거의 2배로 늘었다. 지난 10년간 새롭게 밝혀진 비밀과 최근의 연구 결과들도 담았다. 그 결과 기초적인 중력이론에서부터 블랙홀 그림자에 대한 설명에 이르기까지, 신선한 재료로 풍성하게 차려낸 블랙홀 요리가 탄생했다.

알면 알수록 신비로운 천체, 블랙홀을 밝힌다!
전 세계를 뒤덮은 블랙홀의 그림자
블랙홀에 관한 관심이 뜨겁다. 지난 4월에는 블랙홀 그림자를 최초로 확인했다는 뉴스에 전 세계인의 이목이 집중되었고, 국내에서도 ‘블랙홀’이 인터넷 실시간 검색 1위에 오르기도 했다. 곧이어 6월에는 왜소은하의 중심블랙홀을 국내 연구팀이 최초로 확인했으며, 이 블랙홀은 그간 발견되던 거대질량 블랙홀이 아닌 중간질량 블랙홀로, 이를 통해 블랙홀 연구를 통한 우주의 기원을 밝히는 일에 일보전진이 이루어졌다는 사실에 과학계가 흥분하기도 했다. SF 영화와 소설의 소재로 이따금 등장하면서 사람들의 상상력을 자극하던 블랙홀이 조금씩 그 신비의 베일을 걷고 자신의 모습을 보여주는 듯하다.
블랙홀에 빠지면 어떻게 될까? 얼마나 가까이 가야 블랙홀에 빨려 들어갈까? 블랙홀 근처에서는 시간이 정지할까? 블랙홀과 웜홀을 통한 여행이 가능할까? 지구도 블랙홀이 될 수 있을까? 블랙홀은 끝없이 빨아들이기만 할까? 태양 크기의 별도 블랙홀이 삼킬 수 있을까? 블랙홀끼리도 충돌하면 어떤 일이 일어날까? 책은 블랙홀에 대해 아이들이 던지곤 하는 질문에서부터, 21세기 은하 진화 연구의 패러다임을 바꾼 거대질량 블랙홀에 관한 물음까지, 블랙홀에 관하여 품을 수 있는 다양한 물음을 다룬다. 은하 중심에 블랙홀이 있고, 태양질량의 100만 배에서 수백 억 배나 되는 거대질량 블랙홀의 주변을 별들이 빠르게 공전한다는 점, 블랙홀에서 때론 길이가 50만 광년에 이르는 ‘제트’라는 전자 분출물이 뿜어져 나오기도 한다는 점 등 그야말로 천문학적 스케일의 놀라운 사실들도 보여준다. 얼마 전 화제가 되었던 블랙홀 그림자에 관한 상세한 설명도 담았다(6장 4절). 블랙홀 씨앗에 관한 이론, 거대질량 블랙홀이라는 불가사의한 존재의 기원을 설명할 수 있는 중간질량 블랙홀 연구에 대한 설명은 이 주제에 정통한 연구자만이 할 수 있는 이야기이다(7장 6절). 독자는 블랙홀이 어떤 메커니즘을 통해 만들어져 성장하는지, 이것이 은하의 진화에 어떤 영향을 주었는지 등, 오늘의 블랙홀 연구가 밝혀낸 것과 여전히 미지의 영역으로 남아 있는 것을 책에서 확인할 수 있다.

손에 땀을 쥐게 하는 박진감 있는 드라마
블랙홀에 빠져든 수많은 과학자들의 이야기
블랙홀이라는 아이디어가 처음 제시된 후 오늘에 이르기까지 블랙홀의 비밀이 하나씩 드러나는 과정은 한 편의 장대면서도 박진감 넘치는 드라마라고 할 수 있다. 이 드라마에는 수많은 상상력과 끈기의 귀재들이 등장한다. 뉴턴의 중력법칙과 빛의 입자이론, 광속의 유한성이라는 토대 위에서 사고실험을 통해 빛조차 탈출할 수 없는 강한 중력을 지닌 ‘검은 별’이라는 개념을 제시하고 이를 검증하는 방법까지 제안한 존 미첼. 중력을 시간과 공간이 휘어지는 현상으로 기술, 중력이 강할수록 시공간의 휘어짐이 커진다고 설명하는 일반상대성이론을 통해 숙명적으로 블랙홀 재등장의 길을 연 아인슈타인. 아인슈타인 중력방정식의 해를 구함으로써 탈출속도가 빛의 속도가 되는 별의 한계 반지름, 즉 ‘슈바르츠실트 반지름’을 계산해내어 130년간 잊혀 있던 블랙홀을 현대 물리학의 토대 위에서 부활시킨 카를 슈바르츠실트. 별처럼 보이는 천체에서 전파가 나온다는 것을 밝힌 시릴 해저드와, 퀘이사라는 활동성 블랙홀을 발견한 마르텐 슈미트. 과연 별이 어떻게 중력에 의해 수축되어서 블랙홀이 되는지를 밝혀낸 찬드라셰카르. 은하 중심에 블랙홀이 있음을 발견한 여러 과학자들. 이들은 각자 선배 과학자들이 이룬 업적 위에서, 자신들이 당면한 문제를 붙들고 씨름해 결국 돌파구를 만들었다. 그 여정에는 이론상의 아버지라 할 아인슈타인에게 자신이 제시한 개념을 부정당한 카를 슈바르츠실트나 당시 과학계에서 막강한 영향력을 행사하던 아서 에딩턴의 권위에 눌리고 비난당했던 찬드라세카르와 같은 예도 있었다. 독자들은 이 흥미진진한 이야기를 읽으며 과학의 이론이 어떻게 등장하고 과학자들이 어떤 식으로 이를 검증, 입증하고 개선해가는지를 목격할 수 있다. 이를 통해 과학함의 매력과 흥분을 간접적으로 경험할 수 있다는 것도 분명 이 책의 커다란 장점이다.

[책 속으로 이어서]
거대질량 블랙홀의 씨앗, 즉 블랙홀의 기원을 설명하는 시나리오는 두 가지로 나눠 볼 수 있습니다. 첫 번째 시나리오는 가벼운 씨앗light seed 모델입니다. 별의 죽음에서 태어난 별 블랙홀stellar black hole들이 거대질량 블랙홀들의 씨앗이었다는 견해를 담고 있습니다. 별 블랙홀은 별에서부터 태어나는 블랙홀을 지칭합니다. 별은 질량이 작기 때문에 별 블랙홀도 질량이 작습니다. 이 시나리오를 살펴보려면 어떻게 별에서 블랙홀이 생겨날 수 있는지부터 알아봐야겠습니다. 블랙홀은 별의 진화 과정의 마지막 단계에서 자연스럽게 탄생합니다. 죽음은 끝이 아니라 또 다른 시작입니다. _255쪽

각각의 시나리오가 예측하는 특징을 확인해보는 방법으로 두 시나리오 중 어느 것이 맞는지 검증해볼 수 있습니다. 그 방법 중 하나가 바로 현재 우주에서 은하들의 중심에 블랙홀이 존재 하는 비율이 얼마나 되는지를 살펴보는 것입니다. 질량이 큰 은하들은 대부분 블랙홀을 가지고 있다고 알려진 반면에, 왜소은하라고 불리는 질량이 작은 은하들은 그 중심에 블랙홀이 있는지 없는지 명확하지 않습니다. 그런데 만일 블랙홀들이 별 블랙홀에서 시작되었다면 상당히 많은 은하들이 거대질량 블랙홀을 가지고 있을 거라고 예상됩니다. 반면에 중간질량 블랙홀에서 시작되는 경우는 사실 가스 구름에서 중간질량 블랙홀이 만들어지기 쉽지 않다는 것이 문제입니다. 그래서 상대적으로 작은 비율의 은하들이 중심에 거대질량 블랙홀을 갖고 있을 것으로 예측됩니다.
쉽게 말하면 왜소은하 100개를 살펴보고 그중 몇 개가 중심에 블랙홀을 갖고 있는지를 연구하여 둘 중 어느 시나리오와 더 맞는지 확인하는 방법입니다. 결국 블랙홀이 존재하는 은하의 비율을 측정해서 두 가지 시나리오를 변별하자는 아이디어이지요. 이런 연구들은 저도 시도하고 있지만 쉽지가 않습니다. 질량이 작은 은하들을 연구해서 블랙홀이 있는지 없는지 밝히는 것 자체가 상당히 힘든 일이기 때문입니다. 질량이 작은 블랙홀일수록 슈바르츠실트 반지름도 작고 블랙홀의 중력이 영향을 미치는 크기도 작기 때문에 블랙홀의 존재를 확인하기가 훨씬 어렵습니다. _326-327쪽


목차


머리말

1. 블랙홀의 무대, 우주로 떠나는 여행
우주가 끝없이 우리를 부른다
우주 공간에서 블랙홀과 마주친다면?
과학자의 길, 블랙홀로 가는 여정

2. 블랙홀의 정체를 밝혀라
중력을 탐하다
블랙홀 제조법
블랙홀, 이 땅의 빛을 보다
검은 별을 찾아라

3. 블랙홀의 부활
블랙홀, 되살아나다
일반상대성이론, 블랙홀을 출산하다
블랙홀, 다시 외면받다

4. 블랙홀 일문일답
블랙홀은 진공청소기?
블랙홀로 빨려 들어가는 현상을 볼 수 있을까?
블랙홀은 지구에 위협이 될까?
블랙홀은 언제 배가 부를까?
블랙홀을 통한 시간여행이 가능할까?

5. 우주에서 미지의 대상을 만나다
정체 모를 괴물, 퀘이사를 발견하다
퀘이사의 정체를 밝혀라
은하 중심의 블랙홀, 활동성 은하핵
은하 중심에 괴물이 있다
퀘이사의 엔진, 블랙홀

6. 블랙홀의 집, 은하의 세계
아름다운 너의 이름, 은하
우리은하 중심의 거대질량 블랙홀
모든 은하가 블랙홀을 소유한다
블랙홀의 그림자를 목격하다

7. 블랙홀의 기원
별, 그 긴 일생을 시작하다
별의 죽음, 블랙홀 탄생의 길을 열다
무거운 별의 최후
중성자별의 발견, 블랙홀 이름을 낳다
블랙홀의 다이어트
거대한 가스 구름, 중간질량 블랙홀을 만들어라

8. 실험이 불가능한 우주를 탐구하는 법
우주동물원에서 실험은 불가능하다
빛의 도레미파솔라시도, 감마선에서 전파까지
광학망원경, 갈릴레오에서 21세기까지
천문학자들의 눈, 다파장 관측시설

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