알버트 아인슈타인의 일반상대성 이론은 공간과 시간과 같은 물리학의 기본 개념에 대한 사람의 생각을 크게 바꾸어 놓았다. 하지만 일반상대성 원리는 또 우리에게 깊은 미스터리를 몇 가지 남겼다.

하나는 블랙홀이고, 또 다른 하나는 '웜홀(worm hole)'이다. 블랙홀은 사진으로 이미 공개됐지만, 웜홀은 여전히 상상의 영역에 있다. 웜홀은 이론상으로 우주 시공간에서 서로 다른 지점을 연결하는 다리로서, 우주여행자들에게 지름길을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

이와 같은 상황에서 지난 몇 달간 웜홀에 대한 새로운 연구들이 제시하고 있어 관심이 집중되고 있다. 지난해 8월 러시아 과학자들은 ‘어떤 블랙홀은 웜홀일 수 있고, 그 차이는 감마선에 있다’는 논문을 발표했다.

감마선이 웜홀을 밝히는 열쇠

M 피오트로비치(M.Yu. Piotrovich) 등 러시아 천문학자들은 ‘왕립학회 월간지(Monthly Notices of the Royal Society)’에 발표한 논문에서, 웜홀이 몇몇 매우 밝은 은하의 중심에 존재할 수 있다고 주장했다. 또한 이들은 웜홀을 찾기 위한 몇 가지 관찰 방안을 제안했다.

이것은 웜홀의 한쪽에서 나온 물질이 떨어지는 물질과 충돌할 경우 어떤 일이 일어날지에 기초한다. 그 충돌로 인해 우리가 망원경으로 관찰할 수 있는 감마선이 장관을 이룰 것이라고 러시아 연구팀은 발표했다.

이 감마선은 웜홀과 블랙홀을 구별하기 위한 열쇠가 될 수 있는데, 이전에는 외부와 구별할 수 없는 것으로 추정되었다. 그러나 블랙홀은 더 적은 감마선을 생산하여 방출하고, 웜홀을 통해 생성된 감마선은 거대한 구체에 국한된다는 사실이 밝혀졌다.

러시아 연구팀이 주장한 웜홀은 활동적인 은하의 중심에 너무 가깝고, 온도가 높기 때문에 횡단할 수 있는 그런 웜홀은 아니다. 그러나 은하 중심에서 멀리 떨어진 웜홀의 경우는 그렇지 않다.

이들이 지목한 ‘어떤 블랙홀’은 아주 밝은 초거대질량 블랙홀로 분류되는 '활동성 은하핵(active galactic nuclei, AGN)'이다. 러시아 과학자들은 감마선의 폭발에 가려진 블랙홀이 변장한 웜홀로 드러날 수 있다고 주장했다.

지난해 노벨 물리학상 수상자로 로저 펜로즈 등 블랙홀을 연구한 과학자에게 영예가 돌아가면서 블랙홀-웜홀에 대한 관심이 더욱 높아졌다.

최근 이론 우주과학자인 리버풀 무어스 대학의 안드레아 폰트(Andreea Font) 박사는 컨버세이션(The Conversation)에 기고한 글에서 “웜홀을 통해서 또 다른 우주로 갈 수 있을까”라는 질문을 던지는 등 해외 과학 언론은 최근 들어 부쩍 웜홀 이야기를 많이 다루고 있다.

블랙홀과 웜홀은 아인슈타인의 방정식에서 나온 특별한 해답으로서, 시공간 구조가 중력에 의해 강하게 휘어졌을 때 발생한다. 예를 들어, 물질이 극도로 밀도가 높을 때, 시공간은 너무 구부러져서 빛조차 빠져나가지 못할 수 있다. 이것이 블랙홀이다.

일반상대성 이론이 시공간 구조를 늘이고 구부릴 수 있게 하기 때문에, 사람들은 가능한 모든 종류의 변화를 상상할 수 있다. 1935년 아인슈타인과 물리학자인 네이선 로젠(Nathan Rosen)은 어떻게 두 시공간이 종이처럼 합쳐져서 두 우주 사이에 다리를 만들 수 있는지 설명했다. 이것이 일종의 웜홀인데, 그 이후로 많은 우주 다리가 상상의 날개를 펴고 나타났다.

밝고 빛나는 초거대 블랙홀에 관심

어떤 웜홀은 횡단할 수도 있는데, 이는 인간이 웜홀을 통해 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 그러기 위해서는 충분히 커야 하고 웜홀을 닫으려는 중력의 힘에 굴복하지 않고 열려 있어야 한다. 이런 식으로 공간을 바깥으로 밀어내는 것은 엄청난 양의 ‘부정적인 에너지’를 필요로 한다.

안드레아 폰트 박사는 “은하가 웜홀을 중심에 둘 수 있다는 생각은 새로운 것이 아니다”고 설명했다.

2020년에 노벨 물리학상을 받은 주요 업적인 블랙홀은 근처 별들의 궤도를 열심히 추적해서 발견됐다. 하지만 최근 한 논문은 이 중력의 당김이 웜홀에 의해 발생될 수도 있음을 시사하고 있다.

웜홀은 인간의 상상력을 강하게 끌어당긴다. 모든 것을 무섭게 함정에 빠뜨리는 블랙홀과는 달리 웜홀은 빛의 속도보다 더 빨리 먼 곳으로 이동할 수 있게 해 줄지도 모른다. 고 스티븐 호킹이 마지막 책에서 제시한 바와 같이 웜홀은 과거로 여행하는 타임머신일 수도 있다.

초거대 블랙홀의 특징을 가졌으면서도 극도로 밝은 AGN은 잘 알려져 있지 않다. 하지만 AGN이 엄청나게 감마선을 방출한다는 생각은 이 연구에 영향을 미쳤다.

이에 과학자들은 의심스러운 은하핵에서 나오는 감마선을 확인할 수 있다면, 그 물체가 은하핵이 아니라 웜홀일 수도 있다고 주장하고 있다.