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- 20~30년 안에 우주 탐사선을 블랙홀로 보내 사상 최초로 사건의 지평선에서 직접 데이터를 얻을 수 있을 것이라고 주장
- 시나리오에 따르면, 강력한 레이저와 가벼운 돛이 소형 탐사선을 가속하여 약 70년 만에 지구에서 가장 가까운 블랙홀까지 도달할 것

블랙홀로 가는 성간 탐사선?
천체물리학자, 성간 소형 탐사선 계획 수립

공상과학 소설처럼 들린다. 한 천체물리학자가 20~30년 안에 우주 탐사선을 블랙홀로 보내 사상 최초로 사건의 지평선에서 직접 데이터를 얻을 수 있을 것이라고 주장했다. 그의 임무 시나리오에 따르면, 강력한 레이저와 가벼운 돛이 소형 탐사선을 가속하여 약 70년 만에 지구에서 가장 가까운 블랙홀까지 도달하게 된다. 이러한 임무는 얼마나 현실적일까? 그리고 무엇이 실패를 초래할 수 있을까? 

▲ 가까운 곳 블랙홀에 대한 성간 임무는 얼마나 현실적일까? © keanu2/ Getty Images

성간 여행은 오랫동안 공상과학 소설에서 흔한 소재였다. 워프 드라이브(warp drive:빛보다 빠르게 이동할 수 있게 하는 가상의 추진방식)와 반물질 덕분에 먼 은하로의 비행조차 아무 문제 없이 보인다. 하지만 지금까지 우주여행의 현실은 다르다. 가장 빠른 우주 탐사선조차도 4광년 떨어진 우리 이웃 별인 프록시마 센타우리에 도달하는 데 최소 4만 년이 걸린다. 그리고 우리가 가장 멀리 여행한 우주선인 보이저 1호는 성간 우주에 도달하는 데 이미 35년이 걸렸다. 

▲ 연구개요 (출처:August 07, 2025 Open access / iScience) An interstellar mission to test astrophysical black holes)

이러한 점을 고려할 때, 블랙홀을 향한 성간 임무는 다소 유토피아적으로 보인다. 적어도 가까운 미래에는 그렇다. 그러나 푸단대학교의 천체물리학자 코시모 밤비(Cosimo Bambi)는 다르게 생각했다. "비록 그러한 임무가 추측적이고 극도로 어려울지라도, 완전히 비현실적인 것은 아니다."라고 그는 말한다. 그는 현재 그러한 성간 여행이 어떻게 가능한지, 그리고 어려움이 어디에 있는지 조사하고 있다.

▲ 지구에서 25광년 이내의 별과 외계 행성. 이 지역에는 (어딘가에) 블랙홀이 존재할 가능성이 있다. 출처: NASA Goddard/Adler/U. Chicago/Wesleyan.

첫 번째 장애물: 목표 천체

따라서 첫 번째 과제는 지구에 최대한 가까운 블랙홀을 찾는 것이다. 이론적으로 그러한 항성 블랙홀은 약 20~25광년 반경 내에 존재해야 한다. 이는 우리 주변에 있는 거대 별의 수와 그 별들의 수명에 따라 결정된다고 밤비는 설명했다. 하지만 지구에서 가장 가까운 블랙홀은 여전히 약 1,500광년 떨어져 있다.

이유는 이 블랙홀들이 활동하지 않기 때문에 눈에 보이지 않고 감지하기 어렵다는 것이다. 그러나 주변 별에 미치는 중력적 영향을 통해 그 존재를 드러낼 수 있다. 중력 렌즈 현상이나 새로운 중력파 검출기 또한 이러한 조용한 블랙홀을 감지하는 데 도움이 될 수 있다. 밤비는 "이러한 블랙홀을 감지할 수 있는 새로운 기술이 몇 가지 있어서 향후 10년 안에 적합한 천체를 찾을 가능성이 높다고 생각한다"고 말했다.

두 번째 장애물: 추진력

두 번째 장애물은 우주 탐사선과 그 추진력이다. 수십 년 안에 블랙홀에 도달하려면 탐사선을 빛의 속도의 약 3분의 1까지 가속해야 한다. 기존 로켓 엔진으로는 불가능하다. 하지만 연구진은 이미 해결책을 연구하고 있다. 바로 가벼운 돛 추진 장치다. 무게가 몇 그램에 불과한 소형 탐사선에 매우 얇은 반사 소재로 만들어진 수 제곱미터 크기의 돛이 장착되어 있다. 고출력 레이저가 조사되어 복사압이 돛과 탐사선을 가속한다.

▲ 그들은 여전히 빛돛 없이 항해하고 있다. 미래 나노별 탐사선의 첫 번째 선구체들이 현재 궤도에서 시험되고 있다. © Breakthrough Starshot

그러나 이 추진 기술은 아직 초기 단계에 있다. 나노 탐사선과 가벼운 돛의 초기 시제품은 존재하지만, 적합한 레이저가 부족하다. 밤비는 "현재 기술로는 이러한 레이저 배열의 비용이 약 1조 유로에 달할 것이며, 이는 누구의 예산도 초과하는 금액이다."라고 말했다. 그러나 레이저 기술의 발전으로 약 30년 안에 비용을 약 10억 유로로 줄일 수 있다. 여전히 상당한 금액이지만, 오늘날의 대규모 우주 임무 범위 내에 있다.

세 번째 장애물: 최종 접근 및 측정

세 번째 과제는 블랙홀 접근이다. 소형 우주 탐사선이 약 60~70년 후 목적지에 도착하면 감속하여 블랙홀 궤도에 진입해야 한다. 그러나 탐사선이 목표물을 충분한 정밀도로 조준하고 경로를 수정하기 위해 어떤 수단을 사용할지는 아직 불분명하다. 이 문제에 대한 해결책을 찾지 못하면, 탐사선이 블랙홀 근처로 날아가 더 작은 탐사선들을 떨어뜨릴 수 있다고 천체물리학자는 말한다. 그러면 이 탐사선들이 블랙홀에 끌려가 접근하는 동안 측정을 수행하게 될 것이다.

블랙홀에 도달하면 이 임무는 몇 가지 중요한 의문점을 해소할 수 있을 것이다. 하나는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 블랙홀의 극한 조건에서도 적용되는지다. 또 다른 하나는 블랙홀에 실제로 사건의 지평선이 있는지다. 밤비는 "별의 붕괴 결과는 지평선이 없는 물체, 즉 솜털 공처럼 보이는 모델이 있다."라고 설명했다. 반면 영국의 물리학자 스티븐 호킹은 부분적으로 투명한 사건의 지평선을 가정했다.

이 답이 맞다면, 성간 탐사 임무는 이 의문점을 해소할 수 있다. 미니 탐사선에서 얻은 데이터는 지구로 돌아오려면 20~5광년이 더 필요하다. 즉, 성간 탐사 임무가 발사된 후 약 80~100년 후에 결과를 받게 될 것이다.

▲ 가장 가까운 블랙홀을 향한 가상 성간 임무의 단계. 1단계(나노크래프트 가속): 목표 속도가 광속의 1/3이고 나노크래프트가 최대 105m/s²의 가속도를 견딜 수 있다고 가정할 때, 가속 단계는 약 17분 동안 지속되며 가속 거리는 5·1010m이다. 2단계(성간 여행): 블랙홀이 지구에서 20~25광년 떨어져 있고 나노크래프트가 광속의 1/3로 이동한다면, 나노크래프트는 60~75년 안에 블랙홀에 도달할 수 있다. 3단계(블랙홀 접근 및 과학 실험 준비): 나노크래프트가 블랙홀 근처에 도달하면 궤적을 변경하여 블랙홀에 더 가까이 접근하고 과학 실험 시작을 위해 할당된 궤도로 이동해야 한다. 이 단계가 끝나면 나노크래프트는 블랙홀에서 비교적 멀리 떨어진 궤도를 도는 나노크래프트 A와 블랙홀에 더 가까이 접근하는 나노크래프트 B로 분리될 수 있다. 4단계(과학 실험): 나노크래프트는 블랙홀 주위를 공전하며 계획된 모든 과학 실험을 수행하고 수집된 모든 데이터를 지구로 전송한다.(출처:August 07, 2025 Open access / iScience) An interstellar mission to test astrophysical black holes)

"20~30년 안에 가능할 것“

"이 모든 것이 말도 안 되고 공상과학 소설처럼 들릴지도 모른다. 현재 우리에게는 그러한 임무를 수행할 기술이 부족하다"며 "하지만 약 20~30년 후에는 상황이 달라질 수 있다"고 천체물리학자는 말했다.

과학적 돌파구의 조건이 얼마나 빨리 변할 수 있는지는 과거 사례를 통해 알 수 있다. 밤비는 "100년 전만 해도 사람들은 중력파를 감지하지 못할 것이라고 생각했다. 2015년에야 중력파를 감지했죠."라며 "블랙홀의 그림자조차 관측할 수 없다고 생각했지만, 이제 우리는 이미 두 개의 블랙홀을 촬영했다"고 말했다.

참고: iScience, 2025; doi: 10.1016/j.isci.2025.113142
출처: Cell Press

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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