노벨 물리학상 수상한 블랙홀 연구자 3인

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회가 2020년 10월 노벨 물리학상 수상자로 영국 옥스퍼드 대학의 수리물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose, 1931-) 교수, 독일 막스플랑크 연구소의 외계물리연구 소장이면서 캘리포니아 대학 천체물리학 교수인 라인하르트 겐젤(Reinhard Genzel, 1952-) 및 같은 캘리포니아 대학 여성 천체물리학자 앤드리아 게즈(Andrea Ghez, 1965-) 교수 3인을 선정했다.

2020년의 노벨 물리학상 공동 수상자 3인은 모두 우주에서 가장 신비로운 대상인 블랙홀의 존재에 대해 연구한 과학자들이다. 블랙홀은 질량이 너무 큰 천체이기 때문에 극단적으로 수축 상태에 있지만, 엄청난 중력 때문에 그로부터는 빛은 물론 어떤 것도 탈출하지 못한다. 또한 블랙홀의 중심부에는 특이점(特異點 singularity)이라 불리는 신비로운 중심 부분이 있으며, 여기서는 자연의 물리법칙들이 통하지 않는다.

왼쪽에서부터 수리물리학자(mathematical physicist) 펜로저, 천체물리학자 겐젤, 그리고 게즈이다. 게즈는 역사상 노벨 물리학상을 수상하는 4번째 여성 과학자이다.

아인슈타인이 블랙홀의 존재에 대한 가설을 내놓았을 때, 20세기 중반까지만 해도 이를 믿는 과학자는 거의 없었다. 영국의 수학자이며 물리학자인 펜로즈가 2020년 노벨 물리학상을 수상한 공로는 바로 블랙홀의 존재 가능성을 1965년에 수학적으로 증명한 것이다. 이후부터 블랙홀에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 펠로즈는 1988년에 위대한 이론물리학자 호킹(Stephen Hawking , 1942-2018)과 함께 ‘중력 특이점 이론 연구’에 대한 공로로 ‘울프 물리학상’(Wolf Prize in Physics)을 함께 수상하기도 했다.

일반상대성 이론에 의하면, 블랙홀의 중심에는 시간과 공간 모두를 흡수하는 특이점(singularity)이 있다. 즉 블랙홀의 중심이다. 펜로즈는 수학적으로 특이점의 존재를 증명했다. 이 에니메이션 영상은 블랙홀 뒤에 있는 은하의 모습이 특이점에서 휘어져 보이는 것을 표현하고 있다.

울프 물리학상은 이스라엘에 있는 울프재단(Wolf Foundation)이 물리, 화학, 농업, 수학, 의학, 예술 6개 분야에서 뛰어난 업적을 쌓은 학자에게 수여한다. 1978년 이후부터 매년 시상하는 ‘울프상’은 노벨상 다음으로 권위가 있다고 하며, 울프상 수상자 중에는 노벨상을 받은 사람이 다수 있다. 울프재단 설립자인 울프(Ricardo Wolf, 1887-1981)는 독일 태생의 유대인 발명가이다.

공동 연구자 겐젤과 게즈

겐젤과 게즈 두 과학자는 2012년에 우리 은하계 중심부 궁수자리 A*별 근처에서 질량이 매우 큰(태양 질량의 약 500만 배) 검은 천체(블랙홀의 하나)를 특수한 방법으로 발견하여 여러 가지 정밀 관측을 한 공로로 수상자가 되었다.

블랙홀이 발견된 궁수자리 별 SgrA*의 위치를 나타낸다. 왼쪽 위 2개의 타원 표시는 최근에 발견된 ‘우주 폭발’ 영상이다.

올해 물리학상 상금의 절반(약 $1,100,000)은 펜로즈에게, 나머지 절반은 남은 두 과학자에게 나뉘어 제공된다고 한다. 과거에 노벨물리학상을 받은 여성 과학자 3인은 아래와 같다.

1) 1903년의 수상자 큐리(Marie Curie 1867-1934)

2) 1963년의 수상자 독일계 미국 이론물리학자 메이어(Maria Goeppert Mayer(1906-1972)

3) 2018년에 수상한 스트릭랜드(Donna Strickland, 1959-). 그녀는 펄스 레이저(pulsed laser)를 선구적으로 연구한 캐나다의 광(光)물리학자이다. 펄스 레이저는 레이저가 지속적으로 나오지 않고, 일정 시간 주기로 방사된다. — YS

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