블랙홀 이야기를 하다 보면 포톤 스피어와 포톤 링이 같이 나온다. 이름이 비슷해서 나는 같은 걸 부르는 다른 말인 줄 알았다.
파보니 전혀 다른 개념이었다. 하나는 빛이 도는 장소이고, 하나는 우리 눈에 보이는 사진이다.
이 포톤 스피어와 포톤 링 차이를 하나씩 쉽게 풀어봤다. 헷갈리기 딱 좋은 두 이름이었다.
포톤 스피어는 빛이 도는 장소다
포톤 스피어는 사건의 지평선 반지름의 약 1.5배 지점에 있는 구 모양의 영역이다. 한국어로는 광자구라고 부른다.
이곳에서는 빛이 블랙홀 둘레를 원을 그리며 돌 수 있다. 이 궤도에 정확히 들어온 빛만 잠깐 원을 그린다.
핵심은 이게 실제 공간에 존재하는 물리적 장소라는 점이다. 눈에 보이는 그림이 아니라 진짜 영역이다.
다만 이 궤도는 극도로 불안정하다. 아주 작은 흔들림에도 빛이 안으로 빨려들거나 밖으로 튕겨 나간다.
그래서 빛이 여기 계속 머무는 건 사실상 불가능하다. 잠깐 돌다 결국 어느 쪽으로든 벗어난다.
회전하는 블랙홀에서는 이 영역이 하나가 아니라 두께 있는 껍질처럼 여러 겹으로 벌어진다.
포톤 링은 우리 눈에 보이는 사진이다
포톤 링은 그 장소를 지나온 빛이 멀리서 보면 고리로 나타나는 이미지다. 실제 공간의 영역이 아니라 관측된 그림이다.
블랙홀 뒤나 주변의 빛이 포톤 스피어 근처를 지나며 크게 휘어진다. 그 빛이 우리 눈에 가느다란 고리로 맺힌다.
그래서 포톤 링은 만질 수 있는 게 아니라 눈에 맺힌 상일 뿐이다. 무지개가 하늘의 물체가 아니라 눈에 보이는 상인 것과 같다.
쉽게 말해 포톤 스피어는 빛이 도는 무대다. 포톤 링은 그 무대를 찍은 사진이다. 장소와 사진의 차이다.
나는 이 구분이 처음엔 잘 안 와닿았다. 그런데 무대와 사진으로 나눠 생각하니 단번에 정리가 됐다.
포톤 스피어는 왜 고리로 보일까
포톤 스피어는 블랙홀을 사방으로 감싸는 구다. 그런데 사진에서는 왜 고리로 보일까.
둥근 구를 정면에서 보면 가운데는 그냥 면이고 가장자리만 진하게 보인다. 비눗방울 가장자리가 유독 또렷한 것과 같다.
지구를 우주에서 봐도 가장자리 대기가 유독 밝게 빛나는 것과 같은 원리다. 둥근 것의 테두리가 도드라져 보이는 것이다.
블랙홀도 마찬가지다. 구 모양 영역을 멀리서 보니 그 가장자리가 밝은 고리로 맺힌다.
그래서 3차원 구가 2차원 사진에서는 고리로 바뀐다. 알고 보면 당연한 이야기였다.
포톤 링은 무한히 겹친 거울의 방이다
2020년 하버드 스미스소니언 연구팀은 포톤 링이 무한히 많은 얇은 고리로 이뤄졌다는 걸 밝혔다. 하나의 고리가 아니었다.
빛이 블랙홀을 한 바퀴 더 돌 때마다 새로운 고리가 하나씩 생긴다. 한 바퀴 돈 고리, 두 바퀴 돈 고리처럼 번호가 매겨진다.
안쪽 고리일수록 더 얇고 더 희미하다. 안으로 갈수록 머리카락보다도 가늘어진다.
놀라운 건 고리 하나하나가 주변 우주를 다시 비춘 상이라는 점이다. 연구자는 이걸 거울의 방에 비유했다.
거울 두 개를 마주 보게 두면 상이 무한히 겹쳐 보인다. 블랙홀 둘레의 고리도 그렇게 우주를 무한히 되비춘다.
안쪽 고리일수록 더 여러 바퀴 돈 빛이라, 아주 살짝 더 과거의 우주를 담기도 한다. 고리 하나하나가 시간의 겹인 셈이다.
나는 이 거울의 방 이야기가 오래도록 기억에 남았다. 블랙홀이 주변 우주를 겹겹이 담아내는 거대한 렌즈인 셈이다.
포톤 링을 왜 보려 할까
이 서브링에는 블랙홀 크기와 무게가 아주 정확하게 새겨져 있다. 그래서 하나만 따로 보면 블랙홀을 정밀하게 잴 수 있다.
말하자면 블랙홀을 재는 가장 정밀한 자가 바로 이 고리다. 그래서 과학자들이 이걸 그토록 보고 싶어 한다.
이 고리를 또렷이 보는 건 상대성 이론을 정밀하게 시험하는 일이기도 하다. 이론이 예측한 두께와 밝기가 맞는지 확인하는 것이다.
다만 지금 장비로는 이 얇은 고리를 원반 빛에서 골라내기가 어렵다. 그 관측 도전은 광자고리 관측 이야기에 따로 풀어놨다.
블랙홀 그림자가 어떻게 생기는지 궁금하면 그림자 이야기도 같이 보면 좋다.
이름만 비슷했지 완전히 다른 두 개였다는 게 이 글에서 제일 남는다. 하나는 만질 수 없는 장소, 하나는 눈에 맺힌 상이었다.
다음에 블랙홀 사진을 보면 그 고리가 장소가 아니라 상이라는 걸 떠올리게 될 것 같다. 그 안에 겹겹의 우주가 담겼다는 것도 함께.
자주 묻는 질문
Q1. 포톤 스피어와 포톤 링 차이가 뭔가
A. 포톤 스피어는 빛이 블랙홀 둘레를 도는 실제 장소이고, 포톤 링은 그 장소를 지난 빛이 우리 눈에 맺히는 사진이다.
Q2. 포톤 스피어는 어디에 있나
A. 회전하지 않는 블랙홀 기준으로 사건의 지평선 반지름의 약 1.5배 지점에 있는 구 모양 영역이다.
Q3. 구인데 왜 고리로 보이나
A. 둥근 구를 정면에서 보면 가장자리가 진하게 보이기 때문이다. 비눗방울 가장자리가 또렷해 보이는 것과 같다.
Q4. 포톤 링은 하나의 고리인가
A. 아니다. 빛이 블랙홀을 도는 횟수마다 생기는 무한히 많은 얇은 서브링이 겹쳐진 구조다. 안쪽일수록 희미하다.
Q5. 거울의 방이라는 게 무슨 뜻인가
A. 각 고리가 주변 우주를 다시 비춘 상이라, 마주 본 거울처럼 우주가 무한히 겹쳐 되비치는 것에 빗댄 표현이다.
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