블랙홀이란 무엇인가: 탄생, 사건의 지평선, 특이점, 관측사, 그리고 증발까지

영상에 따르면 블랙홀은 거대한 항성이 수명을 다해 자신의 중력을 견디지 못하고 붕괴하는 것을 계기로 탄생한다고 여겨진다. 항성은 일생의 대부분 동안 핵융합에 의한 바깥 방향의 압력과 중력에 의한 안쪽 방향의 압력이 균형을 이루면서 형태를 유지한다. 그러나 이 균형은 영원히 지속되지 않는다.

태양의 약 8배 이상의 질량을 가진 항성에서는 핵융합 연료가 바닥나면 이 아슬아슬한 균형이 파멸적으로 무너진다. 철로 이루어진 중심부의 핵이 중력에 의해 압축되고, 그 직후 충격파가 외층을 날려 버린다. 이것이 초신성 폭발로, 영상은 이를 우주에서 가장 에너지가 높은 폭발 중 하나라고 설명한다. 폭발 후 남은 핵이 중력을 견디지 못하고 끝없이 찌그러지면 블랙홀이 되는 경우가 있다.

다만 항성의 질량 등 조건이 갖춰지지 않은 경우에는 대부분 중성자로 구성된 중성자별이 남는다. 그리고 이 중성자별끼리 충돌함으로써 블랙홀이 탄생하기도 한다고 한다.

항성의 붕괴 이외의 기원으로, 영상은 빅뱅 후 1초 이내에 물질의 밀도가 극단적으로 높은 영역이 생겨 그것이 곧바로 블랙홀이 되었다는 설도 소개한다. 이런 것들은 원시 블랙홀이라고 불리지만, 현재로서는 아직 하나도 발견되지 않았다.

영상은 블랙홀이 실제로는 질량이 아주 작은 영역에 밀어 넣어진 천체이며, '구멍'이라는 표현과는 거리가 멀다고 말한다.

그 성질을 설명하는 열쇠로 제시되는 것이 탈출 속도다. 우주의 모든 물체에는 그 중력을 뿌리치기 위해 최소한으로 필요한 속도가 있다. 지구에서는 초속 약 11km, 태양에서는 초속 약 600km다. 이것이 블랙홀에서는 빛의 속도인 초속 약 30만km를 넘는다. 우주에서 빛의 속도를 넘는 것은 존재하지 않기 때문에, 블랙홀에 너무 가까이 다가간 것은 다시는 돌아올 수 없다. 빛을 비롯한 전자기파도 예외가 아니므로, 블랙홀을 직접 관측하는 것은 매우 어렵다고 영상은 설명한다.

현재 발견된 블랙홀은 태양의 수 배에서 100배 정도의 질량을 가진 항성 블랙홀과, 태양의 수십만 배 이상의 질량을 가진 초대질량 블랙홀로 나뉜다. 그 중간의 질량을 가진 중간질량 블랙홀은 현시점에서 확실하게 발견되지 않았으며, 천문학에 남은 수수께끼 중 하나라고 한다.

사건의 지평선이란 빛이나 물질이 다시는 빠져나올 수 없게 되는 경계를 말한다. 그 안쪽으로 떨어진 것은 빛이라 하더라도 바깥으로 돌아오지 않는다. 영상은 일반 상대성 이론에 따르면 사건의 지평선 안쪽은 영원히 관측할 수 없다고 설명한다.

회전하지 않는 블랙홀을 상정하면 사건의 지평선의 크기는 엄밀하게 계산할 수 있다. 그 반지름이 슈바르츠실트 반지름으로, 천체의 질량에 비례한다. 태양의 경우 약 3km가 된다. 영상은 이를 도쿄에 대입해, 태양과 같은 질량의 블랙홀이 있다면 도쿄역을 중심으로 도쿄타워와 도쿄돔, 료고쿠 국기관 부근까지의 범위에 태양의 질량인 약 2×10의 27제곱 톤이 모여 있는 셈이라고 비유한다.

한편 사건의 지평선은 천체의 '표면'과는 다르다. 블랙홀 그 자체를 나타내는 것도 아니며, 그곳에 벽이 있는 것은 아니라고 여겨진다. 영상은 설령 사람이 사건의 지평선을 넘는다 해도 특별히 아무것도 느끼지 못할 가능성이 높다고 말한다.

블랙홀은 무엇이든 집어삼킨다는 이미지가 있지만, 영상에 따르면 너무 가까이 다가가지만 않으면 다른 천체와 똑같이 다룰 수 있다. 예로, 태양을 완전히 같은 질량의 블랙홀로 바꿔 놓아도 지구를 비롯한 행성들의 궤도는 전혀 영향을 받지 않는다고 한다.

그렇다면 너무 가까이 다가간 경우는 어떨까. 그 경험은 블랙홀의 질량에 따라 크게 달라진다. 비교적 질량이 작은 항성 블랙홀의 경우, 사건의 지평선에 도달하기 훨씬 전에 비참한 최후를 맞이한다. 발부터 다가간다고 하면 발과 머리에 걸리는 중력의 차이가 점점 커져, 최종적으로는 몸을 찢어 버릴 정도가 된다.

영상이 제시하는 수치로는, 태양 질량의 5배라는 일반적인 블랙홀의 경우 중심에서 20km, 사건의 지평선에서 5km 정도 떨어진 거리에서는 불과 1mm의 차이로도 중력의 차이가 지구 중력의 1만 7000배에 달한다. 몸은 말로 표현할 수 없을 만큼 가늘게 늘어나 일직선이 되어 블랙홀로 사라져 간다. 이 현상은 '스파게티화'라고 불리며, 블랙홀에 너무 가까이 다가간 모든 물체가 겪는 것이라고 한다.

이에 비해 초대질량 블랙홀에서는 사건의 지평선에 있어도 거리 차이에 따른 중력의 차이가 아주 미미하다. 이 경우에는 사건의 지평선을 아무 일 없이 통과해 블랙홀 내부로 들어가게 된다. 다만 그 이후로는 결코 빠져나올 수 없으며, 외부로 정보를 보내는 것도 이론적으로 불가능해진다. 그다음은 중심에 있다고 여겨지는 특이점을 향해 나아갈 뿐이라고 영상은 설명한다.

현재 물리학에서 중력 이론으로 널리 받아들여지고 있는 것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이다. 관측이 결코 불가능한 사건의 지평선 안쪽에 대해 이 이론은 어떤 예측을 내놓을까.

영상에 따르면 사건의 지평선 내부에서는 일반 상대성 이론의 기술상 시공간의 성질이 외부와 크게 달라진다고 여겨진다. 이는 흔히 '시간과 공간의 역할이 뒤바뀐다'고 표현되지만, 영상은 보다 정확히는 블랙홀의 중심을 향하는 방향이 외부에서의 시간의 진행처럼 피할 수 없는 것이 된다는 뜻이라고 설명한다. 우리가 시간의 흐름을 멈추거나 거스를 수 없는 것과 마찬가지로, 사건의 지평선 안쪽에서는 중심을 향하는 것을 피할 수 없다. 어떻게 운동하더라도 최종적으로는 특이점에 이른다고 일반 상대성 이론은 예측한다.

그렇다면 중심에는 무엇이 있을까. 영상은 현재의 물리학으로는 그 답을 전혀 알 수 없다고 해도 과언이 아니라고 솔직하게 말한다. 일반 상대성 이론에 따르면 그곳에는 특이점이 있으며, 계산상 그 밀도는 무한대가 된다. 그러나 많은 과학자들은 이것이 블랙홀의 중심 부근이 일반 상대성 이론의 적용 범위를 넘어서 있을 뿐이며, 일반 상대성 이론을 대신할 중력 이론이 필요하다고 생각한다.

관측도 이론도 없는 상태에서 특이점의 모습을 예측하는 것은 극도로 어렵지만, 영상은 최근 활발히 연구되고 있는 새로운 이론 몇 가지를 소개한다.

그중 하나가 루프 양자 중력 이론이다. 이 이론에 따르면 시간과 공간에는 더 이상 나눌 수 없는 최소 단위가 존재한다. 그렇게 되면 특이점의 밀도가 무한대가 된다는 계산 결과를 피할 수 있다. 나아가 이 이론에 근거해 특이점 너머에도 시공간이 이어져 있으며 화이트홀로 연결되어 있다고 생각하는 물리학자도 있다. 그 경우 블랙홀에 떨어진 물질은 잘게 짓눌린 뒤 우주의 다른 장소, 혹은 어쩌면 완전히 다른 우주로 토해지게 된다. 영상은 이러한 관측 결과가 발견된 적은 없다고 단서를 단 뒤, 루프 양자 중력 이론은 일반 상대성 이론을 대신할 중력 이론으로 기대받고 있다고 말한다.

또한 특이점은커녕 사건의 지평선에 대해서도 일반 상대성 이론으로는 불충분하다는 설이 몇 가지 있다. 그중 하나가 끈 이론의 퍼즈볼 가설이다. 끈 이론에서는 우주의 모든 것이 아주 작은 끈의 진동에 의해 만들어진다고 생각한다. 블랙홀을 얽힌 끈의 집합으로 간주하면 특이점 문제를 해소할 수 있다고 한다. 그렇다고는 해도 관측이 거의 불가능한 이상, 인류가 특이점의 수수께끼를 풀어내는 것은 아직 한참 먼 일일 것이라고 영상은 본다.

블랙홀은 오랫동안 이론상의 존재에 지나지 않았다. 일반 상대성 이론이 발표된 지 얼마 지나지 않아, 빛조차 빠져나올 수 없는 천체가 계산상으로는 존재할 수 있다는 것은 알려져 있었지만, 그것이 실재하는지는 전혀 알 수 없는 단계가 이어졌다.

전환점으로 영상이 꼽는 것은 1964년 백조자리 부근에서 강렬한 X선을 내뿜는 천체가 관측된 일이다. 이어서 1971년, 그 부근의 항성이 흔들리는 것처럼 보인다는 사실이 밝혀졌다. 즉 그 항성은 빛을 비롯한 전자기파로는 전혀 관측할 수 없는 '무언가'의 주위를 돌고 있었던 것이다. 항성의 질량과 공전 주기로부터 산출된 보이지 않는 천체의 질량은 이론상 중성자별의 한계를 넘어섰다. 태양의 수십 배의 질량을 가지고, 관측할 수 없으며, 중성자별도 아닌 천체――현재는 이것이 블랙홀이라는 것이 확실시되고 있다.

나아가 2019년, 인류는 모습을 알 수 없을 터였던 블랙홀의 촬영에 성공했다. 촬영한 것은 사건의 지평선 망원경(Event Horizon Telescope)으로, 지구상의 여러 전파 망원경을 하나의 망원경처럼 다룸으로써 매우 높은 해상도를 실현하고 있다.

처음 촬영된 것은 약 5400만 광년 떨어진 은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀이다. 질량은 태양의 약 65억 배, 슈바르츠실트 반지름은 180억km에 달한다. 이미지에는 중심의 새까만 영역 주위를 초고온으로 가열된 가스가 돌고 있는 모습이 담겨 있으며, 영상은 이를 '모든 것이 이론대로'라고 평가한다. 처음에는 존재 자체가 의문시되었지만, 현재는 블랙홀의 존재를 의심하는 천문학자는 거의 없다고 영상은 말한다.

관측된 블랙홀 중에서 영상은 특징적인 사례 몇 가지를 소개한다.

Gaia BH1은 확인된 것 중 지구에서 가장 가까운 블랙홀로 알려져 있다. 거리는 약 1560광년, 질량은 태양의 9~10배. 태양과 거의 같은 질량의 항성과 쌍성을 이루며, 태양과 지구 사이의 거리와 거의 같은 간격의 궤도로 조용히 서로를 공전하고 있다.

천문학자들이 주목하는 것은 이 블랙홀이 너무나도 조용히 존재하고 있다는 점이다. 주위의 물질을 활발히 집어삼키지 않고 강착 원반도 형성하지 않기 때문에, X선 등 강한 전자기파를 거의 내뿜지 않는다. 발견한 연구자의 말로 영상이 소개하는 것은, 태양의 위치에 이 블랙홀을 두고 지구의 위치에 태양을 두면 이 쌍성이 완성된다는 설명이다.

본래라면 블랙홀이 되기 전의 초신성 폭발의 영향으로, 이렇게 정돈되고 조용한 쌍성이 남기는 어렵다고 여겨진다. 그러나 현실에 존재하고 있다. 영상은 여기서 인류가 블랙홀의 탄생과 진화에 대해 아직 모르는 것이 많을지도 모른다고 말한다.

또 하나의 사례는 2022년에 관측을 시작한 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 포착한 먼 과거의 은하다. 빛의 속도는 유한하기 때문에 먼 은하를 관측할수록 더 과거의 모습을 보게 된다. JWST가 관측한 은하 중에는 우주 탄생 후 7억 년 정도밖에 지나지 않은 것도 있다. 그리고 그 시점에 이미 은하의 중심에 어울리지 않을 만큼 큰 초대질량 블랙홀이 존재하고 있었다.

영상에 따르면 이 결과가 밝혀지기 전에는 초기 우주에서 초대질량 블랙홀과 은하가 함께 성장했다고 여겨졌다. 그러나 JWST의 관측으로 이 가설은 큰 수정을 요구받고 있다. 초기 우주에서는 초대질량 블랙홀의 성장이 현저히 빨랐던 것일까, 아니면 항성 블랙홀에서 성장한 것이 아니라 처음부터 큰 질량을 가지고 탄생한 것일까. 영상은 이 두 가지 가능성을 질문으로 제시하며, 우주가 어떻게 현재의 모습을 형성했는지를 생각하는 데 있어 블랙홀이 하는 역할은 크다고 말한다.

일반 상대성 이론은 블랙홀에 삼켜진 것은 영원히 밖으로 나올 수 없다고 예측한다. 그러나 영상에 따르면 블랙홀 자체도 영원하지 않으며, 언젠가 증발한다고 여겨진다. 스티븐 호킹이 제창한 설에서는 블랙홀이 조금씩 전자기파를 방출해 에너지를 잃고, 최종적으로는 사라져 버린다.

다만 그 과정은 극도로 느리다. 영상이 제시하는 예측으로는 항성 블랙홀이 증발하는 데 10의 67제곱 년(약 1000불가사의 년), 초대질량 블랙홀은 2×10의 100제곱 년이 걸린다. 현재 우주의 나이가 약 10의 10제곱 년인 것과 비교하면, 아득할 정도로 긴 시간에 걸쳐 블랙홀은 우주에서 사라져 가게 된다.

현재 주류 우주론에서는 블랙홀이 증발하기 훨씬 전에 우주에서 항성이 사라질 것으로 여겨진다. 별의 형성으로 가스가 소비되거나 초신성 폭발 등으로 가스가 가열되면서 새로운 항성이 탄생하기 어려워지기 때문이다. 그때의 우주는 지금보다 훨씬 어둡고 쓸쓸하며, 지나치게 광대한 곳이 되어 있을 것이라고 영상은 그린다.

항성이 사라진 우주에서 생명에게 마지막 희망은 블랙홀일지도 모른다고 영상은 말한다. 생명에게는 에너지가 필요하지만, 블랙홀 근처에 물체를 던져 넣고 그 일부를 떼어 내 탈출시킴으로써 블랙홀에서 에너지를 끌어내는 것이 이론상 가능하다고 알려져 있다고 한다.

영상은 먼 후손이 우주 최후의 생명으로서 블랙홀 주위에서 조용히 살아가고 있을지도 모른다는 상상을 내보인다. 그리고 그 블랙홀마저 증발해 버리는 먼 미래에는 우주에 더 이상 아무것도 남아 있지 않은 것이나 다름없을 것이라는 전망으로 마무리한다.