빛보다 빠르게 움직이는 운동이 우주에는 있는 것일까?(퀘이사, 블랙홀, 빛 속도, 제트, 전파천문학)

아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 우주에서 가장 빠른 속도는 빛의 속도이며 빛의 속도 이상으로 움직일 수 있는 물체는 존재할 수 없다고 한다. 그런데 실제로도 그런 것일까? 우주에 빛보다 빠른 운동은 정말로 없는 것일까?

빛보다 빠르게 움직이는 운동이 우주에는 있는 것일까?(퀘이사, 블랙홀, 빛 속도, 제트, 전파천문학)

1. 빛보다 빠른 움직임을 가진 운동.

퀘이사 3C 279의 중심부의 전파 사진이다. 왼쪽의 붉은 점이 퀘이사의 본체이고, 오른쪽으로 떨어져 나오는 것이 제트라고 한다. 제트는 2 년만에 10 광년의 거리를 이동했다. 1 광년 = 빛이 1년간 이동한 거리인데, 제트는 빛의 속도보다 월등히 빠른 속도로 움직였음을 볼 수 있다.

2. 퀘이사는 무엇인가?

퀘이사는 블랙홀이 주변 물질을 잡아 삼켜 나가면서 발생하는 에너지에 의해 형성되는 거대한 발광체라고 한다. 블랙홀은 역시나 우주사에서 안끼는 곳이 없는 굉장히 중요한 것임에는 틀림이 없는 것 같다. 인터스텔라처럼 블랙홀의 비밀을 해결 한다면 정말 큰 발전을 이룩 하는건 정해진 수순임에 보인다. 아무튼 제트는 = 발광체가 뿜어내는 물질의 흐름이다.

그런데, 이 제트가 빛 보다 빠르다고 한다면..아인슈타인의 상대성이론이라면 빛 보다 빠른 운동은 있을 수 없다고 했다. 그렇다면, 도대체 이런 현상은 무엇으로 설명을 해야 하는 것일까?

3. 전파천문학의 태동

과거의 역사를 잠깐 보고 간다면, 전파천문학이라는 학문이 태동하면서 전파를 이용해 우주를 관측하는 작업이 많이 이뤄졌다. 전파천문학은 위의 사진처럼 커다란 원형의 안테나를 이용해서 전파를 우주를 쏘아보내고 그 받은 피드백을 통해서 관찰/실험을 하는 천문학을 말한다. 이러한 과정에서, 1960년대부터는 퀘이사처럼 멀리 있는 전파원들이 확인되기 시작했다. 얼마나 멀리 전파를 쏘아 보내는건지 신기 할 따름이다.

재밌는 사실은, 퀘이사와 같이 직경이 1광년도 안되는 협소한 천체에서 은하 수십 개에서 수백 개가 방출하는 에너지와 맞먹는 양의 에너지가 방출된다는 사실이었다. 하지만, 직경이 1광년이면 우주와 같이 거대한 스케일을 자랑하는 천체가 많은 장소에선 정말 너무나 작은 천체였다. 이러한 사실에, 당대 과학자들은 강력한 에너지원에 대해 궁금했고 활발한 논쟁을 이어 나갔다.

이 중에서 가장 힘을 모은 설명으로는 태양 수백만 개보다 더 무거운 블랙홀이, 근처의 물질들을 흡수하는 과정에서 엄청난 양의 에너지가 나온다는 것이었다. 물론 블랙홀 그 자체는 전파원이 될 수는 없지만(블랙홀은 전파마저도 사라지는 곳이라고 생각할 수 있는 것인가), 대신에 물질을 집어 삼키면서 수백만도 이상으로 가열된 물질들로 인해서 제트가 방출 된다는 것.

4. 제트

나중에 허블망원경으로 원반의 존재가 발견되면서, 블랙홀이 이러한 빠른 운동에 주 동력원이란 설이 거의 사실로 확정되었다. 그림처럼 블랙홀의 회전축으로는 아주 큰 에너지를 가진 대전입자들이 방출되는데, 이런 입자들의 흐름이 위에서 말한 제트(JET)라고 한다.

뉴턴역학이 제대로 적용되지 않고 특수상대성이론을 이용해야 할만큼 물체의 운동상태가 빠른 경우를 우리는 상대론적이라고 하는데, 제트는 빛의 속도에 가깝게 즉 상대론적으로 블랙홀의 중력권에서 벗어나게 된 것이라고 한다.

1966년, 젊은 천문학자였던 마틴 리스는 블랙홀이 어떻게 엄청난 양의 에너지를 방출하면서 '퀘이사의 동력원'이 될 수 있는지 연구했었는데, 그 과정에서 "특정 방향으로 상대론적으로 운동하고 있는 물체는 멀리 있는 관찰자가 보았을 때 "물체의 횡속도가 빛의 속도보다 훨씬 빠르게 보일 수 있을 것"이란 것을 발표했다. 상대론적으로 횡으로 회전하는 속도가 빛의 속도보다 빠르다니..어떻게 이런 생각을 할 수 있는지 범인의 입장에선 신기할 따름이다.

그리고 1960년대 말에 그의 예측대로 위에 사진처럼 빛보다 빠른 운동이 퀘이사나 전파 은하의 중심에서 방출되는 강렬한 제트로부터 관측되었다. 이런 관측 결과는 지금껏 학계 정설이었던 상대성이론을 부정하는 결과임에도 불구하고, 과학자들은 그리 크게 놀라진 않았는데, 이것을 상대성이론으로도 충분히 설명할 수 있기 때문이다. 

이게 무슨 말인가..하면서도 재밌는 것은 정말 상대성 이론으로 설명할 수가 있다는 것이다. 쉽게 설명하자면, 빛의 속도가 유한하기 때문에 일어나는 현상이다. 빛의 속도도 가늠할 수 가 있는 유한한 속도 이기 때문에, 상대성이 적용한다는 의미이다.

설명을 따라가 보면 퀘이사에서 방출된 제트의 속도는 빛의 속도를 넘지는 않지만,관찰자의 '관점'에서는 겉보기 속도가 빛보다 빠른 것처럼 보일 수 있단 것이다. 따라서 상대성이론에 위배되지도 않고, 상대성 이론을 뒤엎는 결과도 아니다란 말이 될 수 있다고한다. 요약하면 우리 관찰자 눈에는 빛보다 빠른 운동으로 보일 수 있단 말이다. 빛의 속도보다 빠르게 보이는 착시에 대한 정상적인 설명으로는 이렇고, 실제로는 빛의 진행 방향에 대해 비스듬하게 운동할 때 횡속도가 빛보다 빠르게 보이는 것이라고 한다.

이러한 현상을 초광속운동(superluminal motion)이라고 부르지만, 앞에서 말했듯이 실제로 빛보다 빠른 것은 아니고 빛보다 빠르게 보이는 착시현상일 뿐이라고 한다. 방출되는 제트가 거의 지구를 조준하고 있는 은하 핵의 근처에서 자주 발견되는 현상이라고 한다. 결과적으론, 빛 보다 빠르게 보이는 운동은 있지만, 공식적으로 확인된 바는 없다고 할 수 있겠다. 양파처럼 까도 까도 참으로 신기한 우주이다.