블랙홀이란? 빛조차 탈출할 수 없는 공간

블랙홀은 SF의 단골 소재이자, 과학계에서 100년 이상 연구해온 실제 천문 현상입니다. 강력한 중력으로 빛마저 삼키는 이 존재는 어떻게 만들어지고, 실제로 어떻게 생겼을까요?

블랙홀의 정의

블랙홀(Black Hole)이란 중력이 너무 강해 빛을 포함한 어떤 것도 탈출할 수 없는 시공간의 영역입니다. 1915년 알버트 아인슈타인이 발표한 일반상대성이론이 예측했으며, 칼 슈바르츠실트가 이를 수학적으로 풀어냈습니다. '블랙홀'이라는 이름은 1967년 물리학자 존 휠러가 처음 사용했습니다.

블랙홀을 이해하려면 탈출 속도라는 개념이 필요합니다. 지구에서 무언가를 우주로 쏘아 올리려면 초속 약 11.2km 이상의 속도가 필요합니다. 이보다 느리면 중력에 끌려 다시 떨어집니다. 블랙홀은 탈출 속도가 빛의 속도(초속 약 30만km)를 넘어서는 영역입니다. 빛도 이 영역에서는 되돌아오지 못합니다.

블랙홀은 어떻게 만들어지나요?

가장 흔한 형성 경로는 거대한 별의 죽음입니다. 태양 질량의 약 20배 이상인 거대 항성이 수소 연료를 모두 소진하면, 핵융합이 멈추며 자신의 중력을 이기지 못하고 내부로 급격히 붕괴합니다(중력 붕괴). 이때 발생하는 엄청난 폭발이 초신성(Supernova)이며, 그 후 남은 핵이 블랙홀이 됩니다.

한편, 은하 중심에는 태양 질량의 수백만~수십억 배에 달하는 초거대 블랙홀(Supermassive Black Hole)이 존재합니다. 우리 은하 중심에도 태양 질량의 약 400만 배인 '궁수자리 A*(Sgr A*)'가 있습니다. 이 초거대 블랙홀이 어떻게 형성되었는지는 아직 완전히 밝혀지지 않은 천문학의 주요 미스터리 중 하나입니다.

블랙홀의 구조

사건의 지평선 — 정보의 벽

사건의 지평선(Event Horizon)은 블랙홀을 둘러싼 '경계면'입니다. 물리적으로 눈에 보이는 벽이 있는 것이 아니라, 탈출 속도가 빛의 속도와 같아지는 경계입니다. 이 안쪽에서 일어나는 일은 외부에 절대 알려질 수 없습니다. 빛도 신호도 나올 수 없으니까요.

블랙홀의 질량이 클수록 사건의 지평선의 반지름(슈바르츠실트 반지름)도 커집니다. 태양 전체 질량을 블랙홀로 압축하면 슈바르츠실트 반지름은 약 3km에 불과합니다. 지구를 블랙홀로 만들려면 지름 약 9mm의 구슬 크기로 압축해야 합니다.

블랙홀에 빠지면 어떻게 될까? — 스파게티화

블랙홀에 가까워질수록 발에 작용하는 중력이 머리에 작용하는 것보다 훨씬 강해집니다. 이 중력 차이를 조력(tidal force)이라고 하며, 물체를 길게 늘어뜨리고 폭은 좁히는 효과를 냅니다. 이 현상을 스파게티화(Spaghettification)라고 부릅니다.

흥미로운 점은, 외부에서 관찰하는 사람에게는 블랙홀로 빨려드는 물체가 사건의 지평선 근처에서 시간이 점점 느려져 영원히 거기에 멈춰 있는 것처럼 보인다는 것입니다. 반면 당사자는 아무것도 느끼지 못한 채 순식간에 사건의 지평선을 통과합니다. 이는 일반상대성이론이 예측하는 시간 지연 효과입니다.

블랙홀은 모든 것을 빨아들이나요?

대중이 가장 많이 오해하는 부분입니다. 블랙홀은 같은 질량을 가진 천체와 동일한 중력을 가집니다. 만약 태양이 갑자기 블랙홀로 변한다 해도, 그 중력이 완전히 같으므로 지구는 지금과 똑같은 궤도로 공전을 계속할 것입니다.

블랙홀이 위험한 것은 사건의 지평선보다 가까이 접근했을 때입니다. 충분히 먼 거리에서는 다른 별이나 행성과 다를 것이 없습니다. 블랙홀이 '모든 것을 닥치는 대로 빨아들인다'는 이미지는 SF 영화가 만들어낸 과장입니다.

블랙홀은 실제로 찍혔다

2019년 4월, EHT(Event Horizon Telescope, 사건지평선망원경) 국제 프로젝트가 M87 은하 중심 블랙홀의 그림자를 최초로 포착한 이미지를 공개했습니다. 지구 크기에 버금가는 가상의 전파망원경 네트워크를 구성해 얻어낸 결과였습니다. 이 블랙홀은 태양 질량의 66억 배, 지구에서 5,500만 광년 떨어진 곳에 있습니다.

2022년에는 우리 은하 중심의 블랙홀 궁수자리 A*(Sgr A*)의 그림자 이미지도 공개됐습니다. M87의 블랙홀보다 훨씬 가깝지만(약 2만 7천 광년), 크기가 작아 더 빠르게 변화하는 탓에 촬영이 더 어려웠습니다.