킵손이 저술한 인터스텔라의 과학을 봤습니다.
사이온스 오브 인터스텔라가 해외에서는 EBOOK으로 출간이 되었네요. 미국 계정으로는 아이패드 이북으로 다운로드 가능합니다. 영어로 되어 있지만 워낙 인터스텔라의 과학에는 궁금한 점이 많기 때문에 구해 봤습니다.
총 7개의 챕터가 되어 있고 1장이 기본적인 물리학에 대한 소개 2장이 가르강튀아 블랙홀에 대한 소개 3장이 지구의 재난에 관한 소개 4장이 웜홀 5장이 가르강튀아 행성계에 관한 이야기 6장이 극단적인 물리학 7장이 클라이막스로 구성되어 있네요. 책이 500페이지가 넘는 영어 원문인지라(그것도 물리학에 관련된) 다 읽어볼 엄두는 안나고 일단 가장 궁금해 했던 가르강튀아 행성계에 대한 부분만 먼저 읽어 봤습니다.
물론 읽어봐도 이해가 잘 안되는 부분도 있고 해석을 엉뚱하게 했을 가능성도 있지만 데메킨님이 제기하신 과학적 주요 오류 3가지에 대해서만 언급하도록 할께요.
사실 킵손이 이야기한 해답이 잘 이해가 안되는 부분이 있기 때문에 누군가 이에 대해서 부연 설명해 주었으면 하는 바람으로 씁니다.
1. 블랙홀의 강착원반에서 나오는 방사선 문제에 대해서
가장 먼저 블랙홀 근처의 행성을 인류거주지로 활용할 경우 문제가 제기되었던 부분입니다. 이 부분에 대해서는 킵손은 강착원반의 에너지에 관하여 크게 세가지가 있는데 하나는 화학적 에너지, 원자력 에너지, 마지막은 중력에 의한 에너지가 있다고 합니다. 화학적 에너지는 조성상 무시해도 좋다고 하고 원자력 에너지는 강착원반의 밀도와 온도가 낮기 때문에 플라즈마 상태의 원자핵이 없기 때문에 해당 내역도 없다고 합니다.
가르강튀아는 광속의 98%로 회전하는 블랙홀인데 ( 이이상 넘어가면 수학적 계산으로 특이점이 사상의 지평선 내부가 아닌 바깥에 있다고 해서 불가능하다고 하네요.) 이로인해 물질들은 중력과 원심력을 동시에 받게 되므로 원반 부분에서는 중력에 의한 가속을 크게 고려하지 않아도 된다고 하네요.
일반적으로 발견이 잘되는 초질량 블랙홀 ( ex 퀘이서 )회전축을 중심으로 일종의 자기장이 형성되어 이쪽으로 전하의 성분을 가진 입자들이 방출되는 제트 현상이 발생하는데 그곳보다는 강착원반의 밀도 및 온도를 대폭 낮게 설정함으로써 제트에 의한 방사선 피폭을 피했다고 합니다. 뭐 이런 보이지 않는 kerr 블랙홀에 대해서는 신문기사에서의 과학 기사에서도 예상하는 만큼 큰 무리가 없는 설정인 것 같습니다. 참고로 강착원반의 온도는 태양표면 정도로 대부분의 입자는 포톤이라서 밀도에 비해 밝게 묘사된 것이라고 합니다.
2. 밀러 행성에 적용되는 중력 가속도의 문제에 대해서
이 책에 언급은 되어 있지 않지만 원래 킵손이 스필버그와 기획했던 인터스텔라 블랙홀은 훨씬 더 큰 블랙홀과 덜 극단적인 시간지연 효과를 가졌다고 합니다. 그래서 놀란이 제시했던 밀러 행성의 조건 때문에 꽤 고심했다고 하네요. 그래서 블랙홀을 광속의 98퍼센트로 회전하는 극단적인 경우를 예제로 들었다고 합니다. 그래서 가르강튀아는 거대한 중력과 거대한 원심력을 동시에 가진 블랙홀이고 y축을 힘의 세기 x축을 특이점으로부터의 거리라고 한다면 중력과 원심력은 둘다 1/x 모양의 형태를 띄게 되는데 이 2개의 그래프가 만나는 2점이 중력과 원심력이 상쇄되는 부분인데 여기서 특이점과 가까운 접점이 밀러 행성의 공전궤도라고 합니다.
영화 내에서는 인듀러스호가 밀러 행성에 접근할 때는 사상의 지평선 2배 거리에서 ( 여기가 블랙홀에 의한 시간 지연의 영향을 고려해도 되지 않는 최초의 지점이라고 하네요. ) 블랙홀의 스윙바이에 의해 광속의 1/3로 가속한 후에 밀러 행성에 접근하기 전에 역으로 움직이는 중성자별의 중력을 이용하여 감속하여 광속의 1/4 정도의 속도로 밀러 행성에 접근하는 것으로 묘사가 되었다는데 ( 전 영화 볼 때 중성자별 이야기는 못 들은 것 같은데 ) 이것은 중성자별의 기조력과 각속도의 차이 때문에 산산조각 날 테니까 불가능한 것이라고 합니다. 원래는 우주선과 인간이 견딜 수 있는 기조력의 크기를 가진 태양 질량의 1000배 정도의 블랙홀을 시뮬레이팅 했다는데 놀란이 블랙홀은 하나만 있는게 영화의 균형상 더 옳다고 해서 ( 2개의 블랙홀을 시각화하면 돈이 더 들어서 그런 것이 아닐까 싶은 ) 이에 대한 과학적 엄밀함은 양보했다고 하네요. 기조력을 무시하더라도 광속의 1/3 이던 1/4이던 그렇게 움직이면서 정확한 항속이 가능할까 대해서는 도저히 이해가 안되는 부분이긴 합니다만. 반대로 밀러 행성에서 탈출할 때는 행성 궤도가 힘의 균형을 이루는 지점이므로 행성의 중력만을 고려하면 되고 탈출할 때도 다른 작은 블랙홀을 이용해 스윙바이하면 된다고 하네요. 물론 행성을 탈출하여 블랙홀로 스윙바이하기 위한 정확한 궤도로 항해하는 것은 공돌이가 알아서 해주실 거야 모드 -_-
3. 밀러 행성의 기조력과 궤도 문제에 대해서
시공을 2차원 평면으로 묘사하고 kerr 블랙홀의 중력장에 의한 왜곡을 도식화하면 마치 깔대기 모양으로 되는데 깔대기 넓은 부분이 시공이 왜곡되기 시작되는 부분 통모양의 깔대기는 블랙홀의 회전에 의해 시공이 끌려가는 부분이고 이 아래에 사상지평선이 있는데 데미킨님이 이야기한대로 시공이 회전할 때 각속도의 차이에 의해 공간의 휠링 즉 소용돌이치는 공간 부분이 있다고 합니다. 여하튼 밀러 행성은 엄청난 시간 지연을 위해서 정지된 슈바르츠 블랙홀 보다는 조금 멀지만 사상의 지평선에 꽤 가까운 거리에서 공전궤도를 가지게 되는데 이 때 공전주기는 밖에서 볼 때는 1.7시간 정도로 공전속도는 광속의 절반 정도라고 합니다. ( 광속의 절반까지는 속도는 대부분 운동에너지로 변환되지만 그 이상이 되면 질량으로 변환되기 때문인건가? ) 시간지연이 일어나는 행성 궤도 영역에서 잴 경우에는 무려 1초에 10번씩 공전을 한다고 합니다. 최소한 회전 반경이 1AU ( 지구와 태양 사이의 거리)를 1초만에 열번 회전한다는 건데 광속보다 빠르게 돌 수 있는 이유는 시공이 회전하여 시간은 느려지고 공간좌표가 이동하고 있기 때문이라고 하네요. 공간은 광속보다 빨리 돌아도 상대성이론에 위배되지 않으므로 가능하다고 합니다.
여기에 더하여 블랙홀의 기조력에 의한 행성 파괴를 막기 위해서는 언제나 같은 방향으로 블랙홀을 바라보고 있어야 하는데 이로인해 밀러 행성의 자전주기 또한 1초에 10번이라고 합니다. 이렇게 빨리 돌면 기조력이 문제가 아니라 행성 자체의 원심력에 의해서 파괴되어야 하지만 계산할 때 공간의 소용돌이되는 속도를 행성의 자전속도와 동일하도록 조건을 주었기 때문에 이 둘의 힘이 상쇄되어서 행성 자체의 원심력은 전혀 고려하지 않아도 된다고 합니다. 그런데 이렇게 공간이 회오리 치는 곳이라면 공간을 따라 이동하는 빛 또한 소용돌이 치면서 휘어지므로 보여지는 물체의 상이 지구와는 상이할 것 같은데 어떨지 모르겠네요.
밀러 행성의 높은 파도에 대해서는 2가지 조건이 성립한다고 합니다. 밀러 행성의 자전 축이 블랙홀의 중력을 정확히 상쇄하는 곳에 있는 것이 아니라 조금은 틀어져 있어서 그 위도에서 특히 높은 기조력을 받는다는 것과 밀러 행성에 적용되는 기조력이 행성을 파괴할 만큼 강한 것은 아니지만 금이 가게 할 정도로 충분한 것이라 지진 활동에 의해 일종의 쓰나미처럼 모든 물이 썰물이 되었다고 밀물이 되는 것이라 하네요. 참고로 가르강튀아 블랙홀이 현재의 모습이 된 것은 120억년 전이지만 블랙홀의 행성궤도 영역 내에서는 시간이 6만배나 느려지므로 밀러 행성의 나이는 20만년의 굉장히 어린 행성이라고 합니다. 그래서 이 행성은 지금은 대기도 있지만 곧 기조력에 의해 행성의 맨틀에 금이 가서 온도가 높아져서 대기는 다 날라가고 결국엔 목성이나 토성의 위성 같은 결말이 날 거라고 하네요. ( 좋은 시절은 금방 간다는 의미?) 애초에 가면 안되는 곳이었다고 말하지만 결국은 놀란의 옹고집이었다는 소리.
그 외.
가르강튀아 블랙홀의 크기는 실제보다 굉장히 작게 영화에서 묘사되었다고 합니다. 실제 크기 그대로 블랙홀을 묘사하면 하늘이 다 새캄해져서 블랙홀의 아름다움을 표현할 수 없었기 때문이라네요.
밀러행성은 강착원반에서 빛을 받는 부분의 절반은 밝고 블랙홀의 사상의 지평선을 바라보는 부분은 완전 검을 거라고 하네요.
인듀러스호에 대하여 킵손이 기술한 부분은 매우 적습니다. 2페이지 정도? 웜홀도 통과해야 하고 블랙홀로 스윙바이해야 하니까 열나 튼튼한 탄소섬유 재질로 만들지 않았을까 하는 설정 정도? 그냥 자기의 수학은 맞으니까 나머지 현실적인 제약은 다 공돌이님이 해결해 주실 거야 모드입니다.
타스는 블랙홀의 사상의 지평선을 통과하지 않았을 거라고 합니다.
서재로 구현된 5차원 테세렉트 구조는 놀란의 상상력이 아닌 완벽하게 수학으로 계산된 모습이라고 하네요.
사실 인터스텔라의 과학에서 가장 궁금한 부분은 회전하는 블랙홀에 의한 시공간의 틀끌림이 발생할 때 이 곳에 살고 있는 사람에게는 어떤 모습으로 보여지는 것일까 하는 부분인데 좀 더 찾아봐야 하겠지만 이 책에서도 먼 관측지에서 보는 모습만 소개될 뿐 딱히 내부의 모습에 대해서 설명한 것은 없는 듯 싶습니다. 시간지연 뿐만 아니라 1초에 열 번씩 공전하고 1초에 열 번씩 자전하는 행성에 공간은 소용돌이 치는 모습은 도저히 상상하기 어려운 영화보다 훨씬 이상할 따름인데 말이죠. 여기에 대해서 제대로 설명받을 수 있는 책이나 강좌가 없을까요?
자세한 설명 감사합니다. 이제 한글로 설명해주세요 ㅜㅜ
원본에서는 그림과 함께 설명되어 있어서 영어만 조금 읽을 줄 아시면 제가 쓴 글보다 훨씬 쉬울 거예요. -_-
밀러 행성에서의 극단적인 시간 지연이 뭔가 이상하다고 생각하긴 했는데 저런 이유에서였군요. 덕분에 잘봤습니다.
아, 그리고 저는 사건의 지평선이란 말이 더 익숙한데요, 사상이라고 꾸준히 쓰시는걸 보니 요즘엔 저렇게도 부르나, 저게 맞는말인가...도 좀 궁금하네요.
사건의 지평선이나 사상의 지평선이나 같은 말인데 제가 맨 처음 본 우주물리책에 사상의 지평선이라고 써서 그 단어가 훨씬 익숙합니다. 사상의 지평선은 틀린 말인 건가요?
둘 다 사용 가능한걸로 알고 있습니다. 과학 관련 팟캐스트에서도 교수님들이 둘 다 쓰시더군요.
네? 저한테 물어보시면... -_-;; 질문맨님이 저보다 잘 아실것 같은데요.
둘다 맞는 말인데 사건의 지평선이라고만 하다보니 제가 착각했나 봅니다.
탈출 속도는 원래 행성의 지면에서 가속 없이 출발 속도가 그래야 탈출 가능하다는 얘기죠.
밀러 행성이 가르강튀아의 궤도를 돌고 있다는 말 자체가 이미 블랙홀의 중력 영향은 없는 상태 - 즉, 자유 낙하 상태 - 라는 의미이므로 밀러 행성의 궤도 상에서 탈출은 밀러 행성 자체 중력만 극복하면 된다는 얘기죠. 단, 중력에 의한 시간 왜곡은 이미 일어나 있는 상태입니다. - 비근한 예로 지구에서 탈출 속도도 일단 지구 상의 궤도 위에 올리면 거기서부터 중력만 극복하면 된다고 합니다. -
네 킵손의 책에서도 탈출속도에 대해서는 특별히 언급한 부분이 없습니다. 그냥 돌아올 때 같은 방법으로 하면 된다는 언급 정도. 사실 탈출 속도란 것은 초기 속도를 그렇게 주어야만 궤도 밖으로 벗어날 수 있다는 것이니까 연료만 충분하여 꾸준히 위로 띄울 수 있는 힘만 있다면 탈출 속도에 무관하게 행성의 중력권에서 벗어날 수 있는 거죠. 이 부분은 뉴턴역학으로도 설명 가능한 부분이기도 한데 밀러 행성의 공간은 뉴턴역학이 통용되는 곳이 아니다 보니 뭔가 다른 변수를 고려해야 하는 것인가 궁금하긴 하네요. 상대성이론의 상식적인 이해도 아직 굉장히 부족한가 봐요. -_-
아 해석을 잘 못한 부분이 있는데 공전 및 자전 속도는 10초에 한 번이 아니라 1초에 10번이네요. 더 알 수 없는 인터스텔라의 세계네요. -0-
사건의 지평선이 1AU짜리나 되는 블랙홀 궤도를 1초에 10번을 도는 미친 원심력을 버티는 암석행성이 있다는 설정 자체부터 괴이하죠. 아니 블랙홀 표면 회전속도가 광속을 능가하질 못하는데 왜 거기 끌려들어서 회전하는 공간은 광속보다 더 빠르게 돌아간다는 앞뒤 안맞는 설정이 나오는지.
그냥 놀란이 다 무시하고 드라마틱하게 쓰고 싶은 시나리오에 어거지로 파라미터를 짜맞추려고 든건데, 결국 그런거는 존재할 수 없다...는 게 과학자들의 결론인데 그냥 영화적 재미를 위해서 눈감아 주는 것일 뿐.
밖에서 볼때는 이 궤도는 광속의 0.5배의 스피드로 날아가고 있는 것으로 보입니다. 실제로 블랙홀의 중력에 상쇄되는 원심력은 이것이고요. 공간이 광속보다 빨리 돈다는 의미의 해석이 좀 잘못되었는데 공간의 회전과 6만배나 느려진 시간지연 때문에 광속보다 빨리 도는 효과를 보이는 거다라고 하네요. 밀러 행성 궤도 좌표에서는 빛보다 빨리 도는 것이 아니기 때문에 상대성이론에 맞는 것이라고 합니다. 책을 다시 보니까 밀러 행성은 생성된지 20만년이 아니라 정상적인 행성이 끌려간지 20만년 밖에 안되었다는 설정이네요. 가르강튀아의 행성계에 대해서는 킵손은 과학적으로 가능하다라고 말하고 있네요. 더 잘 알고 싶으면 하틀이 쓴 중력: 아인슈타인의 상대성 이론 소개를 보면 된다고 하네요. 교양과학 수준에서의 상대성이론도 지금껏 잘 이해하지 못하고 있나 싶어서 다시 한 번 교양과학 서적을 읽어봐야 할 것 같아요. 이 책은 영문이라 골치가 -_-
어둠 속의 빛과 같은 게시물이네요.
안그래도 인터스텔라 2회차 관람하기 전에 주요한 물리학적 이론들을 수박 겉핥기라도 해두려고 용쓰는 중이었는데..
너무 잘 읽었어요. 감사합니다.
전에 쓰신 글과 이번 글 정말 잘 읽었습니다. 너무 재미있어요. 행성 표면 묘사를 설정된 실제 우주처럼 구현하는건 매우 지난한 일일것 같네요. 공간좌표가 광속보다 빠르게 움직이는 행성이라면 도대체 어떻게 보이는 건지; 블랙홀을 무려 스윙바이에 써 먹는다거나 블랙홀 둘레를 미친듯이 회전하고 있는 행성에 착륙한다거나 하는걸 보면 정말 지구를 버릴만큼 그 행성들이 좋아보였는가 하는 궁금증이... 인듀어런스호는 어찌되었던 오파츠 확정이군요.
테세렉트도 과학적인 구현이었군요. 테서락트의 형태에 대한 서술은 많이 봐서 익숙하지만, 테서락트가 "닫혀가는 것"이 신기하던데 그것도 제대로 구현된 것일까요.
공간의 회전과 시간지연의 효과 때문에 공간좌표가 광속보다 빠르게 이동하는 효과를 본다는 것인데 1초에 열번 제자리로 돌아오는 행성이라면 마치 10프레임으로 인코딩한 툭툭 끊기는 영상을 보는 것이 아닐까 하는 생각이 들기도 해요. 물론 저도 같은 시간지연에 있는 공간에 있을 테니까 그냥 일반적인 행성처럼 보일 것 같기도 하고. 뭔가 그림이 잘 그려지지 않네요. 수학으로 보면 모순 없는 결과일 텐데 이것을 현실적인 감각으로 끌어오기가 쉽지 않습니다. 테세렉트 부분에 대해서는 딱히 알고 있는 사전 지식이 없어서 영어 해석이 잘 안되어 일단 패스했어요. 테서렉트가 어떻게 닫혀갔죠?
놀란은 왜 밀러 행성의 극단적인 시간지연을 고집했던 것일까요?
그래야 밀러 행성에서 어이쿠 하고 발을 헛디딘게 지구에서 20년이 지나는 결과가 되니까요!