케이티 보우만(Katie Bouman)、TEDx talk(2016)
케이티 보우만(Katie Bouman, 29)의 열정은 '보이지 않는 것을 보거나 측정하는 방법'을 연구하는 것이다.
〜블랙홀을 촬영하는 방법〜
(케이티 보우만)
(케이티 보우만)
영화 '인터스텔라'에서 우리는 초대형 블랙홀을 가까이서 볼 수 있었습니다. 블랙홀의 엄청난 중력으로 인해 밝은 가스를 배경으로 빛이 링 모양으로 휘어져 있는 모습입니다. 하지만, 이것은 실제 사진이 아니라 컴퓨터 그래픽입니다. 일러스트레이터로 블랙홀의 모습을 그린 상상도입니다.
ㅇ일반상대성이론과 블랙홀
100년 전 알버트 아인슈타인은 '일반상대성이론'을 발표했습니다. 그 후 과학자들은 그 이론을 뒷받침할만한 수많은 증거들을 발견했습니다. 하지만 예언했던 블랙홀은 아직까지 직접 관찰된 적이 없습니다. 블랙홀의 모습에 대한 가설도 여러 개 있지만 아직 실제 모습을 찍은 사진은 한 장도 없습니다.
그런데 만일 그것이 가까운 시일내에 실현된다면 여러분들은 정말 놀라게 될 것입니다. 아마도 수 년 내에 블랙홀을 촬영한 최초의 사진을 볼 수 있게 될 것입니다. 첫번째 촬영은 세계의 과학자들이 지구 크기만한 망원경과 함께 이미지를 한 장의 사진으로 합성하는 알고리즘을 활용하여 성취할 것입니다. 오늘은 여러분들에게 블랙홀의 실제 사진을 보여드릴 수는 없지만 첫번째 사진을 찍기 위해 무대 뒤에서 어떤 일들이 벌어지고 있는지 간단한 소개해 드리고자 합니다.
ㅇ컴퓨터 과학자 '케이티 보우만'
제 이름은 케이티 보우만입니다. MIT 대학원생이며 컴퓨터과학 연구실에서 컴퓨터를 통해 사진이나 비디오를 인식하는 기술을 연구하고 있습니다. 제가 비록 천문학자는 아니지만 이 자극적인 프로젝트에 어떻게 기여해왔는지 말씀 드리고자 합니다.
오늘밤 환한 도시를 벗어나 교외로 나가면 은하수의 아름다운 모습을 관찰할 수 있을 것입니다. 수백만 개의 별들을 지나 2만 6천 광년 떨어진 은하계의 소용돌이치는 중심을 확대해 볼 수만 있다면 그 중심에 있는 성단을 만나게 될 것입니다. 천문학자들이 우주먼지 때문에 잘 보이지 않는 그 성단의 별들을 적외선 망원경으로 관찰하기 시작한지 벌써 16년이 지났습니다.
그런데 가장 보고 싶었던 것은 보지 못했습니다. 은하계 중심의 별들은 보이지 않는 뭔가의 주위를 맴돌고 있는 것처럼 보입니다. 천문학자들은 그 별들의 궤도를 추적한 결과 그 운동을 일으킬만한 크기와 질량을 가진 천체는 오직 초대형 블랙홀밖에 없다는 결론에 이르렀습니다. 그것은 지극히 높은 밀도를 지니고 있기 때문에 접근하는 모든 것들을 - 심지어는 빛까지도 빨아들이고 맙니다.
좀 더 확대해 보면 어떨까요? 하지만 논리적으로는 보이지 않는 것일텐데 과연 우리들이 볼 수 있을까요? 전파망원경으로 관측하면 블랙홀 주변의 고온 플라스마가 중력에 의해 휘어져 생기는 빛의 링을 관찰할 수 있습니다. 즉 블랙홀은 이 밝은 물질을 배경으로 그림자를 만들어 구형의 암흑을 형성한다는 이치입니다.
ㅇ블랙홀과 빛의 링 '사건의 지평선'
이 밝은 링을 블랙홀의 '사건의 지평선'이라고 부르는데 빛조차도 벗어날 수 없는 블랙홀의 엄청난 중력 때문에 형성되는 것입니다. 링의 크기와 모양은 아인슈타인의 방정식을 통해 예측할 수 있습니다. 이렇게 볼 때 블랙홀의 사진을 찍는 일은 정말 멋진 경험인과 동시에 아인슈타인의 방정식이 블랙홀 주변의 극한 상황에서도 적용될 수 있는지 어떤지 확인하는 작업이기도 합니다.
그런데 이 블랙홀이 우리 지구에서 볼 때 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 빛의 링도 믿기 어려울 정도로 작게 보입니다. 달 속의 한 개의 오렌지를 관측하는 것처럼 지극히 작습니다. 그러므로 빛의 링을 촬영하는 일은 대단히 어려운 일입니다. 왜 그럴까요? 그것은 아주 간단한 방정식으로 바로 알 수 있습니다. '회절'이라는 현상 때문에 우리가 관측할 수 있는 대상의 크기에는 근본적으로 한계가 있기 때문입니다.
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그 방정식에 따르면 물체가 작으면 작을수록 망원경을 더 크게 만들어야 볼 수 있습니다. 그런데 지구상에서 가장 큰 광학망원경도 달 표면의 사진을 찍는데 필요한 해상도를 아직 구현해내지 못하고 있는 게 현실입니다. 최고 해상도로 촬영한 달 사진 중 하나인데 대략 13,000픽셀입니다. 1픽셀 안에 오렌지 150만 개가 들어갈 정도로 선명도는 매우 낮습니다.