(Stephen Hawking theorized that black holes can slowly shrink as radiation escapes. The slow leak of what's now known as Hawking radiation would, over time, cause the black hole to simply evaporate. This infographic shows the estimated lifetimes and event horizon––the point past which infalling objects can't escape a black hole's gravitational grip––diameters for black holes of various small. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center)
고 스티븐 호킹 박사는 블랙홀과 빅뱅에 대한 선구적인 이론에서 우주 초기에 형성된 원시 블랙홀 (primordial black hole)의 존재를 예언했습니다. 우주는 태초에 인플레이션이라 급격한 팽창을 경험했는데, 이때 일부 물질이 높은 밀도로 모여 지구 질량의 원시 블랙홀이 생길 수 있다는 것입니다.
통상 블랙홀은 태양 질량의 8배 이상의 무거운 별이 초신성 폭발로 최후를 맞이한 후 생성됩니다. 따라서 가장 가벼운 항성 질량 블랙홀이라도 태양의 몇 배 이상의 질량을 지니고 있습니다. 반면에 은하계에서 가장 밀도가 높은 은하 중심에서는 태양 질량의 수백만 배가 넘는 거대 질량 블랙홀이 형성됩니다.
과학자들은 항성 질량 블랙홀은 물론 거대 질량 블랙홀을 수없이 관측했지만, 원시 블랙홀은 한 번도 관측한 일이 없습니다. 사실 명왕성 궤도에 지구 질량의 원시 블랙홀이 숨어 있다고 해도 사상의 지평면의 크기는 동전 수준에 불과해서 다른 천체에 중력으로 영향을 미치지 않는 이상 찾을 수 있는 방법이 없습니다. 하지만 과학자들은 그래도 방법을 찾기 위해 노력하고 있습니다.
캘리포니아 대학 산타 크루즈 캠퍼스의 윌리엄 드로코 (William DeRocco, a postdoctoral researcher at the University of California Santa Cruz)가 이끄는 연구팀은 2027년 발사 예정인 나사의 차세대 행성 사냥꾼인 낸시 그레이스 로만 우주 망원경 (이하 로만 우주 망원경)이 원시 블랙홀 발견에 결정적인 답을 줄 수 있다는 연구 결과를 발표했습니다.
로만 우주 망원경은 허블 망원경과 같은 2.4m 지름의 주경을 지닌 우주 망원경이지만, 허블의 100배에 달하는 2억 8800만 화소의 이미지 센서를 이용해서 우주를 관측할 수 있습니다. 따라서 별의 밝기 변화를 관측해 외계 행성의 존재를 찾는 것 이외에도 여러 가지 임무를 수행할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
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연구팀은 로만 우주 망원경이 매우 미세한 밝기 변화를 추적해 마이크로 중력 렌즈 효과를 대거 발견할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 행성처럼 작은 천체도 시공간의 휘게 만들 순 있기 때문에 미세한 중력 렌즈 효과를 일으킵니다. 이런 방식으로 숨어 있는 떠돌이 행성이나 원시 블랙홀을 포착할 수 있다고 보는 것입니다.
현재 이를 관측하기 위해 지상 기반의 망원경을 이용한 프로젝트인 MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) 와 OGLE (the Optical Gravitational Lensing Experiment)가 진행 중이지만, 이 장비로는 떠돌이 행성과 행성 질량 원시 블랙홀을 완전히 구분할 수 없습니다. 과학자들은 떠돌이 행성이 예상보다 많다는 점에서 원시 블랙홀이 숨어 있을 가능성이 있다고 보지만, 정확한 비율을 알아내지는 못하고 있습니다.
연구팀은 로만 우주 망원경이 MOA나 OGLE보다 10배 많은 마이크로 중력 렌즈 효과를 발견해 더 결정적인 증거를 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 만약 수많은 원시 블랙홀을 발견한다면 과학자들이 오랬동안 찾아 헤맸던 암흑 물질의 일부를 발견하는 성과를 기대할수도 있습니다.
제임스 웹 우주 망원경에 이어 과학계의 기대를 한 몸에 받고 있는 로만 우주 망원경의 성공을 기대합니다.
참고
https://phys.org/news/2024-05-nasa-roman-mission-primordial-black.html
William DeRocco et al, Revealing terrestrial-mass primordial black holes with the Nancy Grace Roman Space Telescope, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.023013. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2311.00751
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