커 블랙홀은 슈바르츠실트 블랙홀에는 없는 회전 질량(rotational mass)이라는 것을 가지고 있다. 회전 질량은 블랙홀이 가장 빨리 회전하는 경우 총질량의 29%에 이르는데, 이 회전 질량은 추출될 수 있다. 추출된 질량은 유명한 특수상대성이론의 공식에 의해서 에너지로 전환될 수 있다. 이 특성이야말로 슈바르츠실트 블랙홀에서는 도저히 기대할 수 없는 것이다.

커 블랙홀은 주위에 에르고스피어(ergosphere)라는 영역이 있다. 에르고스피어는 아래 그림과 같이 커 블랙홀을 둘러싸고 있는데, 어떠한 물체도 이 안에서는 운동, 즉 회전하지 않을 수 없게 된다. 커 블랙홀은 이 영역의 시공간 자체를 회전시키기 때문이다. 커 블랙홀의 회전 질량이 밖으로 나가면, 커 블랙홀의 회전이 점점 느려진다. 에르고스피어는 점점 작아지고 마침내 회전이 멈추면, 즉 슈바르츠실트 블랙홀이 되면 완전히 사라진다.

커 블랙홀은 주위에 에르고스피어(ergosphere)라는 영역이 있다. 에르고스피어(ergosphere) 영역 에서는 시공간 자체가 회전한다.

커 블랙홀의 에너지를 꺼낼 수 있다 했는데, 한 방법은 펜로즈 과정(Penrose process)을 통해서다. 펜로즈는 에르고스피어에 E1의 초기 에너지를 가지고 들어 온 물체가 둘로 갈라져 한 조각이 블랙홀로 떨어져 버리고 다른 한 조각이 E2의 에너지를 가지고 블랙홀로부터 탈출하는 경우, 회전 질량의 추출에 의해 E2가 E1보다 클 수 있다는 것을 보였다. 이것이 펜로즈 과정이다.

영화 ‘인터스텔라’에서 주인공 쿠퍼는 선택의 여지가 없기 때문에 죽음을 각오하고 블랙홀로 뛰어 든다. 여주인공 브랜드(Brand)가 타고 있는 부분은 분리됐기 때문에 펜로즈 과정에 의해 에너지를 얻어 블랙홀을 탈출할 수 있다. 영화에서는 ‘slingshot(스윙바이와 같은 개념)’으로 표현됐지만 쏜은 펜로즈 과정을 염두에 뒀을 것으로 믿는다.

펜로즈 과정.

회전하는 블랙홀에서 에너지를 추출하는 다른 과정도 있다. 블랜포드(Blandford)와 즈나이엑(Znajek)이 발견한, 블랜포드-즈나이엑 과정(Blandford-Znajek process)과정이다. 이 과정은 전자기적 과정으로 블랙홀과 유입원반이 자기장을 띠고 있을 때에만 성립된다. 그런데, 블랙홀이 자기장을 띨 수 있는가? 약간 이상하게 느낄 지도 모른다. 그간의 상식으로는 블랙홀은 ‘질량 M, 각운동량 J, 전하 Q외의 물리량을 가지지 않는다’라고 알려져 있기 때문이다.

그간 블랙홀의 물리량은 3가지뿐이라는 것을 가리켜 ‘블랙홀에는 머리털이 없다(Black holes have no hair)’라고 표현했다. 즉 대머리가 돼 머리털이 세 가닥 M, J, Q만 남았다는 뜻이다. 이 말을 한 사람은 휠러(Wheeler)다. 그러나 쏜은 호킹의 이론을 바탕으로 확장된 사건의 지평선, 즉 블랙홀 멤브레인(membrane) 이론을 주장한다. 이에 따르면 확장된 사건의 지평선은 M, J, Q 이외에도 온도 TH, 엔트로피 sH 같은 물리량을, 블랙홀 전기역학 덕분에 전하 σH, 전류 jH, 저항 RH, 전기장 EH, 자기장 BH 같은 물리량을 가질 수 있게 됐다. 머리카락이 세 가닥밖에 안 남았던 대머리 블랙홀이 마침내 ‘가발’을 쓰게 된 것이다!

쏜은 ‘가발을 쓴 블랙홀’을 주장했다.

따라서, 블랜포드-즈나이엑 과정(Blandford-Znajek process)은 쏜이 주장한 ‘가발’을 쓴 블랙홀 이론을 바탕으로 한 것이다. 블랜포드-즈나이엑 과정(Blandford-Znajek process)은 태양계만한 작은 영역에서 한 은하계만큼(!)의 에너지를 방출하는 ‘퀘이사(quasar)’라는 수수께끼 천체의 정체를 시원하게 풀어줬다. 연구 성과로 보면 이른바 대박을 친 것이다.

그런데, 블랜포드-즈나이엑 과정을 담은 논문은 너무 어려웠다. 이 과정을 쉽게 설명하는데에도 쏜은 천재적 기지를 발휘한다. 블랜포드-즈나이엑 과정을 성립하는 과정을 그린 후, 그 과정이 간단한 전자회로와 다름이 없다는 것을 보여주었다.

은하 중앙의 블랙홀 모델

블랙홀 엔진에 비유되는 전자회로

쏜은 쉽고 정확하게 설명하는데 천재적인 물리학자다. 영화 ‘인터스텔라’에서도 쏜 박사의 완벽한 자문이 처음부터 끝까지 돋보였다. 영화가 어떻게 만들어졌는지 동영상들을 검색해보자. 단언컨대 이 영화에 '과학적' 오류는 없다. 과학적 오류처럼 보이는 것은 영화 속 ‘어떤 존재’가 만들어낸 ‘기적’이다.

영화 ‘인터스텔라’는 ‘우리가 이해한 과학의 관점’, ‘우리가 이해하지 못한 과학의 관점’, ‘인류의 정서적 관점’이 삼위일체가 돼 빚어낸 걸작이다. 나중에 두 개를 가지고 태클을 걸면 곤란하다. 그것은 판타지에 가까운 부분이기 때문이다. 영화의 ‘옥의 티’를 찾을 것이 아니라 영화가 말하는 과학을 좀 더 이해하려고 노력해보자.

쏜은 휠러, 미스너(Misner)와 함께 1973년 일반상대성이론 교과서 ‘Gravitation(중력)’을 내놓았다. 거의 40년 전 책이지만 아직도 이만한 교과서가 없다. 책의 크기가 전화번호부와 같아서 보다가 졸리면 베고 자기 안성맞춤이다. 표면에는 어김없이 사과가 그려져 있다

블랙홀을 통과한 로봇 타스(Tars)가 전해준 정보를 쿠퍼 딸이 금방 풀어서 ‘플랜 A’대로 우주 스테이션을 공중으로 띄워 올린 부분이 좀 어색하긴 했다. 하지만 이 부분도 ‘우리가 이해하지 못한 과학’ 영역이므로 토를 달기 어렵다. 아마 그 내용은 반중력(antigravity)에 관한 것이 아니었을까. 커 블랙홀의 고리모양 특이점을 지나면 반중력 우주가 있으니까 말이다.

혁혁한 공을 세운 타스는 까맣게 타버렸다. 타스를 수리해달라고 부탁하는 쿠퍼의 모습은 영화 ‘스타워즈(StarWars)’에서 깡통 로봇 ‘알투디투(R2D2)’의 수리를 부탁하던 루크(Luke)의 모습과 빼닮았다. 영화 ‘인터스텔라’와 드라마 ‘빅뱅 이론(Big Bang Theory)’의 주인공이 모두 쿠퍼인 것은 우연인가? 어쨌든 두 쿠퍼 때문에 요즘 생활이 즐겁다.