블랙홀은 이름 때문에 오해를 많이 받습니다. '구멍'이라는 말 때문에 우주에 뚫린 빈 공간처럼 생각하기 쉽습니다.
정반대입니다. 블랙홀은 비어 있기는커녕, 우주에서 물질이 가장 빽빽하게 뭉쳐 있는 곳입니다. 빛조차 빠져나오지 못할 만큼 중력이 강해서 검게 보일 뿐입니다.
블랙홀을 이해하는 열쇠 — 탈출 속도
먼저 간단한 개념 하나만 잡으면 나머지가 쉬워집니다.
탈출 속도란 어떤 천체의 중력을 벗어나는 데 필요한 최소 속도입니다.
| 천체 | 탈출 속도 |
|---|---|
| 달 | 초속 2.4 km |
| 지구 | 초속 11.2 km |
| 목성 | 초속 59.5 km |
| 태양 | 초속 618 km |
| 블랙홀 | 초속 30만 km 이상 (광속 초과) |
지구에서 로켓이 초속 11.2km를 넘어야 우주로 나갈 수 있는 것처럼, 모든 천체에는 이 문턱값이 있습니다.
여기서 질량이 같아도 더 작게 압축될수록 표면의 중력은 강해집니다. 중심에 더 가까이 갈 수 있기 때문입니다.
그렇다면 극단적으로 압축하면 어떻게 될까요. 탈출 속도가 계속 올라가다가 어느 순간 빛의 속도를 넘어섭니다. 우주에서 빛보다 빠른 것은 없으니, 그 지점부터는 무엇도 빠져나올 수 없습니다.
이것이 블랙홀입니다.
얼마나 압축해야 할까
계산해 보면 실감이 납니다.
- 태양을 블랙홀로 만들려면 반지름 약 3km로 압축해야 합니다. 지금 지름 139만 km인 별을 서울 도심 정도 크기로 줄이는 셈입니다.
- 지구라면 반지름 약 9mm입니다. 구슬 하나 크기입니다.
이 경계선의 반지름을 슈바르츠실트 반지름이라고 합니다.
사건의 지평선 — 돌아올 수 없는 경계
블랙홀 사진이나 그림에서 보이는 검은 원의 테두리, 그것이 사건의 지평선입니다.
이름이 의미심장합니다. 지평선 너머에서 일어난 일은 이쪽에서 알 수 없기 때문입니다. 안쪽에서 벌어진 어떤 사건의 정보도 밖으로 전달되지 않습니다.
중요한 점은 이것이 물리적인 표면이 아니라는 것입니다. 벽도 막도 없습니다. 그냥 공간상의 경계선이고, 넘어가는 순간 아무 느낌도 없을 수 있습니다.
다만 넘어간 뒤로는 무엇을 해도 돌아올 수 없습니다. 어느 방향으로 로켓을 분사해도 소용없습니다. 그 안에서는 중심을 향해 가는 것이 미래로 가는 것과 같아집니다.
블랙홀이 되려면 얼마나 압축해야 할까
대상을 고르면 사건의 지평선 반지름이 나옵니다.
슈바르츠실트 반지름 공식 r = 2GM/c² 으로 계산했습니다.
특이점 — 물리학이 멈추는 곳
사건의 지평선 안쪽 중심에는 특이점이 있다고 여겨집니다.
부피는 0이고 밀도는 무한대인 점. 그런데 이것은 "그런 것이 실제로 있다"기보다 "우리 이론이 여기서 답을 못 낸다"는 표시에 가깝습니다.
일반상대성이론으로 계산하면 값이 무한대로 발산합니다. 물리학에서 무한대가 나온다는 것은 대개 이론의 적용 범위를 벗어났다는 뜻입니다.
특이점을 제대로 설명하려면 중력을 다루는 일반상대성이론과 미시 세계를 다루는 양자역학을 하나로 합쳐야 합니다. 아직 아무도 성공하지 못했습니다. 블랙홀 중심은 현대 물리학이 미완성이라는 사실을 가장 선명하게 보여주는 지점입니다.
그 사진에 한국도 참여했다
2019년 공개된 최초의 블랙홀 영상은 200명이 넘는 연구자가 참여한 국제 공동연구의 결과였습니다. 한국 연구진도 이 협력단의 일원으로 참여했습니다.
한국천문연구원은 한국우주전파관측망(KVN)을 운영합니다. 서울, 울산, 제주에 각각 21m 전파망원경을 두고 이를 하나로 묶어 관측하는 시스템입니다.
여러 곳의 전파망원경을 동시에 관측시켜 신호를 합치면, 망원경 사이의 거리만큼 큰 망원경과 같은 해상도를 얻습니다. 이것을 초장기선 전파간섭계(VLBI)라고 합니다. 사건의 지평선 망원경이 사실상 ‘지구 크기의 망원경’을 만들 수 있었던 원리입니다.
동아시아 전파관측망에 참여하면서 한국의 관측 자료도 이 연구에 기여했습니다.
블랙홀의 종류
| 종류 | 질량 | 형성 방식 |
|---|---|---|
| 항성질량 블랙홀 | 태양의 수배~수십 배 | 무거운 별의 초신성 폭발 |
| 중간질량 블랙홀 | 태양의 수백~수십만 배 | 형성 과정 불확실 |
| 초대질량 블랙홀 | 태양의 수백만~수십억 배 | 은하 중심, 기원 논쟁 중 |
우리 은하 중심에도 있습니다
우리 은하 중심에는 궁수자리 A*라는 초대질량 블랙홀이 있습니다. 질량은 태양의 약 400만 배입니다.
무섭게 들리지만 걱정할 필요는 없습니다. 지구에서 약 2만 6,000광년 떨어져 있고, 태양계는 안정적인 궤도로 은하 중심을 돌고 있습니다. 블랙홀이 주변을 빨아들인다는 것도 오해입니다.
만약 태양이 갑자기 같은 질량의 블랙홀로 바뀐다면, 지구는 빨려 들어가지 않습니다. 질량이 같으면 중력도 같기 때문에 지구는 그대로 궤도를 돕니다. 다만 빛이 사라져 얼어붙을 뿐입니다.
블랙홀이 물질을 삼키는 것은 아주 가까이 다가갔을 때입니다. 그 전까지는 다른 천체와 똑같이 중력으로만 작용합니다.
블랙홀 사진 — 어떻게 찍었나
검은 것을 어떻게 찍을까요. 정확히는 블랙홀 자체가 아니라 그 주변을 찍은 것입니다.
블랙홀 주변으로 빨려 들어가는 물질은 곧바로 떨어지지 않고 소용돌이를 그리며 회전합니다. 이것을 강착원반이라고 합니다. 마찰과 압축으로 온도가 수백만 도까지 올라가 강렬한 빛을 냅니다.
그래서 사진에는 밝게 빛나는 고리와 그 가운데의 검은 그림자가 찍힙니다.
2019년, 사건의 지평선 망원경(EHT) 국제 공동 연구진이 M87 은하 중심의 초대질량 블랙홀을 촬영해 발표했습니다. 인류가 블랙홀을 직접 본 최초의 사례입니다.
2022년에는 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 촬영에도 성공했습니다.
방법이 독특합니다. 지구 곳곳의 전파망원경을 동시에 관측시켜 데이터를 합치는 방식으로, 사실상 지구 크기의 망원경을 만든 것과 같은 효과를 냈습니다. 데이터 양이 워낙 방대해 인터넷 전송이 불가능했고, 하드디스크를 물리적으로 실어 날라 처리했습니다.
블랙홀에 빠지면 어떻게 될까
두 가지 일이 벌어집니다.
첫째, 늘어납니다.
블랙홀에 발부터 떨어진다면, 발에 작용하는 중력이 머리에 작용하는 중력보다 훨씬 강합니다. 이 차이 때문에 몸이 세로로 길게 늘어나고 가로로 압축됩니다. 국수 가락처럼 늘어난다고 해서 '스파게티화'라고 부릅니다.
작은 블랙홀일수록 이 효과가 심합니다. 초대질량 블랙홀은 사건의 지평선 부근의 중력 차이가 완만해서, 이론적으로는 멀쩡한 상태로 경계를 넘을 수도 있습니다.
둘째, 시간이 느려집니다.
중력이 강할수록 시간은 느리게 흐릅니다. 이를 중력 시간 지연이라고 하며, 실제로 GPS 위성이 이 효과를 보정하고 있습니다.
블랙홀 근처에서는 이 효과가 극단적입니다. 멀리서 보는 사람의 눈에는, 떨어지는 사람이 사건의 지평선에 가까워질수록 점점 느려지다가 결국 그 자리에 얼어붙은 것처럼 보이고, 빛이 붉게 변하며 서서히 흐려집니다. 경계를 넘는 장면은 영원히 보이지 않습니다.
반면 떨어지는 본인은 아무렇지 않게 경계를 통과합니다. 시간은 평소처럼 흐릅니다.
같은 사건인데 관측자에 따라 완전히 다르게 보입니다. 이것이 상대성이론의 핵심입니다.
블랙홀도 증발합니다 — 호킹 복사
블랙홀은 영원할 것 같지만, 스티븐 호킹은 1974년 반대되는 주장을 내놓았습니다.
양자역학에 따르면 진공은 완전히 비어 있지 않습니다. 아주 짧은 시간 동안 입자와 반입자 쌍이 생겼다 사라지기를 반복합니다.
사건의 지평선 바로 바깥에서 이런 쌍이 생겼을 때, 하나는 블랙홀로 빨려 들어가고 다른 하나는 밖으로 탈출하는 경우가 생깁니다. 밖에서 보면 블랙홀이 입자를 방출한 것처럼 보이고, 그만큼 블랙홀은 질량을 잃습니다.
이것을 호킹 복사라고 합니다.
속도는 극도로 느립니다. 태양 질량의 블랙홀이 완전히 증발하는 데 10의 67제곱 년이 걸립니다. 우주 나이가 138억 년이니 비교조차 무의미한 시간입니다.
그런데 여기서 심각한 문제가 생깁니다. 블랙홀이 증발해 사라지면, 그 안에 들어간 정보는 어떻게 되는가? 물리학은 정보가 사라질 수 없다고 봅니다. 이 모순을 블랙홀 정보 역설이라 하며, 지금도 활발한 논쟁거리입니다.
중력파 — 블랙홀이 부딪히는 소리
블랙홀 두 개가 서로를 돌다 합쳐지면, 그 충격으로 시공간 자체가 출렁입니다. 이 파동이 중력파입니다.
아인슈타인이 1916년에 예측했지만 100년 가까이 검출되지 않았습니다. 효과가 극도로 미약하기 때문입니다.
2015년, 라이고(LIGO) 검출기가 마침내 중력파를 포착했습니다. 13억 광년 밖에서 블랙홀 두 개가 병합하며 만든 신호였습니다. 검출기가 감지한 길이 변화는 원자핵 크기보다도 작았습니다.
이 발견의 의미는 큽니다. 지금까지 천문학은 빛에만 의존했습니다. 중력파는 완전히 새로운 관측 수단이며, 빛을 내지 않는 블랙홀을 직접 관측할 수 있는 유일한 방법입니다.
자주 묻는 질문
블랙홀이 지구를 삼킬 수 있나요?
가까이에 블랙홀이 없습니다. 가장 가까운 것으로 알려진 블랙홀도 수천 광년 떨어져 있습니다. 또한 블랙홀은 주변을 흡입하지 않고, 같은 질량의 별과 똑같은 중력만 작용합니다.
화이트홀이나 웜홀은 실제로 있나요?
수식상으로는 해가 존재하지만, 관측된 적은 없습니다. 웜홀이 유지되려면 음의 에너지를 가진 이상한 물질이 필요한데, 그런 물질이 존재하는지도 알 수 없습니다.
블랙홀 안쪽은 어떻게 생겼나요?
알 방법이 없습니다. 정보가 밖으로 나올 수 없기 때문에, 안쪽에 대한 모든 서술은 이론적 추정입니다.
블랙홀은 어떻게 발견하나요?
직접 보이지 않으니 간접 증거를 씁니다. 주변 별들의 궤도가 보이지 않는 무언가를 도는 경우, 강착원반에서 나오는 강한 X선, 그리고 중력파가 대표적입니다.
자료 출처
- 사건의 지평선 망원경(EHT) 국제 공동연구단
- LIGO·Virgo 중력파 공동연구단
- NASA Black Holes
- 오류를 발견하시면 댓글이나 메일로 알려주세요.
마무리
블랙홀은 우주에서 가장 극단적인 장소입니다. 빛이 빠져나오지 못하고, 시간이 멈춘 것처럼 보이고, 중심에서는 현대 물리학이 답을 내지 못합니다.
동시에 블랙홀은 상상 속의 존재가 아닙니다. 우리 은하 중심에도 있고, 2019년에는 사진까지 찍혔으며, 두 블랙홀이 부딪히며 만든 시공간의 떨림도 실제로 측정되었습니다.
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