온 우주를 하나의 덩어리로 만들면 무엇이 남을까: 인류 덩어리에서 블랙홀 우주론까지

도입부에서 영상은 먼저, 지구 역시 처음에는 작은 먼지의 집합이었으며 우주 공간에서 가스와 암석, 소행성을 끌어들이면서 아득한 시간에 걸쳐 성장해 수많은 생명을 품은 행성이 되었다고 말한다. 중력에 의해 물질이 모이는 우주의 활동을 괴혼의 '굴려 붙여 크게 만드는' 놀이에 겹쳐 보는 것이 이 영상의 출발점이다.

가장 먼저 굴려 붙이는 것은 인간이다. 2026년 현재 인구를 약 83억 명으로 하고 평균 체중을 50kg으로 가정하면, 전 인류의 무게는 약 4억 1500만 톤이 된다. 인체의 밀도는 물과 거의 같으므로, 빈틈없이 구 모양으로 채워 넣으면 지름은 약 930m가 된다고 영상은 계산한다. 도쿄 타워는 물론이고 도쿄 스카이트리도 굴려 붙일 수 있는 크기다. 이것을 크다고 느낄지 작다고 느낄지는 사람마다 다를 것이라고 영상은 덧붙인다.

다만 이 덩어리도 지구의 중력에는 거스를 수 없다. 높이 930m까지 사람이 쌓이면 가장 아래에는 수심 930m의 해저와 같은 약 90기압의 압력이 가해진다. 1제곱센티미터당 약 93kg의 무게를 받는 셈이다.

그렇다면 뼈는 이 무게를 견딜 수 있을까. 영상에 따르면 인체에서 가장 강한 뼈는 허벅지의 대퇴골로, 길이 방향으로 누르는 힘에 강해 약 1000기압까지 견딜 수 있다는 데이터가 있다. 옆 방향에서 누르면 강도는 떨어지지만, 그래도 뼈 조직은 약 400기압에 해당하는 압축을 견딜 수 있다고 한다. 따라서 약 90기압이라는 것만으로 뼈가 부러지지는 않는다. 다만 힘이 일부에 집중되거나 뼈를 구부리듯이 가해지면 부러지는 것도 있을 것이라고 영상은 단서를 단다.

문제는 더 부드러운 조직이다. 근육도 지방도 내장도 이만한 압력을 받으면 쉽게 변형된다. 한편 인체의 대부분을 차지하는 물은 눌려도 거의 줄어들지 않는다. 줄어들지 않는 것을 위에서 억지로 눌러 넣으면, 빠져나갈 곳을 잃은 몸은 옆으로 퍼질 수밖에 없다. 그 결과 전 인류의 덩어리는 사상 최대의 '살 쓰나미'가 되어 사방팔방으로 흘러나갈 것이라고 영상은 묘사한다. 하지만 괴혼의 세계에서는 살 쓰나미가 일어나지 않는 듯하므로, 이야기는 이 덩어리로 더 많은 것을 굴려 붙이는 방향으로 나아간다.

다음으로 지상의 모든 것을 굴려 붙인다. 빌딩과 도로, 기계, 플라스틱 등 인류가 만든 것 가운데 폐기물을 제외하고 이용되고 있는 것을 모으면, 2020년 기준으로 약 1조 1000억 톤이 된다. 이것을 콘크리트와 같은 밀도(1세제곱센티미터당 2.4g)의 구로 만들면 지름은 약 9.6km다.

흥미롭게도 인간을 포함한 지구상의 모든 생물 역시 수분을 뺀 건조 중량으로는 약 1조 1000억 톤으로 추정된다. 즉 인공물의 총량과 생물의 건조 중량은 거의 같다. 수분을 포함하면 생물은 약 2조 2000억 톤으로, 덩어리로 만들면 지름은 약 16km가 된다. 나아가 지구상의 물을 모두 모으면 약 135경 톤, 지름 1300km가 넘는 덩어리가 만들어진다.

그렇다면 인공물도 생명도 물도 걷어낸 뒤의 지구는 어떨까. 그래도 지름 약 1만 2800km의 덩어리가 남는다. 지상에서 모은 덩어리는 질량으로 따지면 지구의 0.1%도 되지 않는다. 달을 더하면 조금은 보탬이 되겠지만, 46억 년이라는 '플레이 시간'의 차이는 너무나 크다고 영상은 표현한다. 결국 지상의 것을 아무리 다시 모아도 마지막에 만들어지는 것은 잘 알고 있는 지구 그 자체라는 결론이 된다.

이어서 태양계 전체를 굴려 붙인다. 하지만 여기서도 지구와 비슷한 일이 일어난다. 태양계 질량의 약 99.85%는 태양이 차지하고 있으며, 나머지 질량의 약 70%는 목성으로, 이는 태양계 전체의 약 0.1%에 해당한다. 지구는 그 목성의 300분의 1 정도밖에 되지 않는다. 즉 태양계를 모두 하나로 만들어도 질량은 지금의 태양과 거의 다르지 않다.

다만 굴려 붙이는 과정에서는 격렬한 광경을 볼 수 있다고 영상은 말한다. 예를 들어 목성이 태양과 하나가 될 때, 중력에 의해 방출되는 에너지만으로 TNT 환산 약 870메가톤에 달해, 앞서 만든 지구 덩어리를 100만 번 이상 산산조각 낼 수 있을 정도라고 한다.

또한 굴려 붙여진 것들은 원래 모습을 유지하지 못한다. 태양은 고체가 아니라 표면이 약 5500도, 내부가 1500만 도에 이르는 플라스마다. 인류도 바다도 행성도 그 안에서는 녹아 버리고, 그뿐 아니라 원자핵과 전자로까지 분리되어 무엇이 무엇이었는지 구별할 수 없게 된다.

태양계를 벗어나 이번에는 우리은하를 통째로 모은다. 영상은 여기서 축척을 바꿔, 태양계를 모은 덩어리를 지름 5cm로 줄여서 생각한다. 태양에서 가장 가까운 항성인 프록시마 센타우리까지의 거리는 이 축척으로도 약 1400km다. 우리은하 중심까지는 약 880만 km인데, 그래도 은하 전체 폭의 절반에 미치지 못한다. 끝에서 끝까지 굴리려면 약 3400만 km를 이동해야 한다.

은하에는 무수한 별이 있지만, 별과 별 사이는 이만큼 떨어져 있다. 모든 것을 굴려 붙이려면 아무것도 없어 보이는 공간을 그저 계속 굴려 나갈 수밖에 없다고 영상은 설명한다.

그렇다면 우리은하를 하나로 만들었을 때 덩어리는 어떤 모습이 되어 있을까. 물질은 중력으로 서로 끌어당겨 모이려 하는 한편, 압축되면 그에 저항하는 압력도 생긴다. 이 둘이 균형을 이루면 덩어리는 더 이상 찌그러지지 않으며, 별을 모아도 균형이 유지되는 동안에는 더 무거운 별이 될 뿐이다.

하지만 거기에도 한계가 있다. 태양의 10만 배를 넘는 질량의 항성은 자신의 중력을 지탱하지 못하고 곧바로 블랙홀이 된다고 여겨진다. 초신성 폭발을 일으키지 않고 비교적 조용히 붕괴해 간다. 이렇게 탄생하는 것이 '직접 붕괴 블랙홀'이다.

우리은하의 질량은 태양의 약 1조 5000억 배라고 한다. 따라서 은하를 모두 모으기 훨씬 전에 덩어리는 블랙홀이 되어, 다가온 빛조차 놓아주지 않게 될 것이라고 영상은 말한다.

게다가 은하에는 처음부터 수많은 블랙홀이 존재하며, 우리은하에만 그 수가 1억 개 정도라고도 한다. 그 대표는 은하 중심에 있는 궁수자리 A*로, 질량은 태양의 약 400만 배로 추정된다. 블랙홀끼리도 중력으로 서로 끌어당겨 결국 합체한다. 덩어리는 이러한 블랙홀도 굴려 붙이면서 커져 가며, 그 합체에서는 시공간의 요동이 중력파가 되어 퍼져 나가 막대한 에너지를 가져간다.

물질을 굴려 붙일 때는 강렬한 빛도 방출된다. 빛조차 탈출할 수 없을 블랙홀이 왜 빛나는 것일까. 영상의 설명에 따르면 빛을 내는 것은 블랙홀 주위에 생기는 강착원반이다. 블랙홀에 다가간 물질은 중력에 이끌려 떨어져 가는데, 그 도중에 주위를 고속으로 회전하며 원반을 만든다. 원반 안에서는 물질이 마찰 등으로 고온이 되어 원자핵과 전자로 분리된 플라스마가 되고, 그곳에서 강렬한 전자기파가 방출된다.

초대질량 블랙홀 주위가 이렇게 눈부시게 빛나는 천체를 퀘이사라고 부른다. 우주가 아직 어렸을 때는 초대질량 블랙홀 주위에 가스가 많았기 때문에 활발하게 빛났던 것으로 여겨진다. 퀘이사는 이 우주에서 발견된 가장 밝은 천체라고 한다.

영상은 이 원리가 질량을 에너지로 바꾸는 방법으로서 매우 효율적이라는 점을 강조한다. 계산상으로는 조건에 따라 질량의 40% 이상을 에너지로 바꿀 수 있을 가능성이 있다. 태양의 에너지원인 핵융합으로는 약 0.7%이므로, 그 차이는 확연하다고 한다.

구체적인 시산으로, 우리은하 항성의 합계 질량을 태양의 500억 배, 에너지 변환 효율을 10%로 둔다. 그러면 은하 안의 별을 모두 굴려 붙였을 때 방출되는 에너지는 TNT 환산 합계 2×10의 41제곱 톤이 된다. 이 에너지를 사용해 매초 하나씩 지구를 계속 파괴해도, 다 쓰기까지 10년 이상 걸린다고 한다.

다만 이 빛도 영원히 계속되지는 않는다. 빛에도 압력이 있어서, 너무 강해지면 떨어져 내리는 물질을 바깥으로 밀어내 버리는 경우가 있다. 또한 블랙홀이 커질수록 강착원반의 물질도 대량으로 소비된다. 이윽고 모든 것을 다 굴려 붙이고 나면 덩어리는 다시 침묵하고, 은하 전체를 눈부시게 비추던 곳에는 완전한 밤의 고요만이 남는다고 영상은 묘사한다.

우리은하를 하나로 만든 초거대 블랙홀로 더 나아가 우주 전체를 굴려 붙이려 하면 어떻게 될까. 이번에는 지름 10만 광년의 우리은하를 5cm로 줄여서 생각한다. 이웃한 안드로메다 은하는 약 125cm 앞에 있다. 이 둘을 포함한 수십 개의 은하 집단이 국부은하군으로, 그 끝에서 끝까지는 약 5m다.

각각의 크기를 기준으로 하면, 은하끼리는 은하 안의 별끼리보다 훨씬 가까이 있다. 은하 하나를 모을 수 있었다면 우주 전체도 의외로 쉽게 모을 수 있다고 생각할지도 모른다고 영상은 말한다.

하지만 우주는 팽창하고 있다. 우주의 팽창으로 인해 먼 천체일수록 빠르게 멀어져 가며, 어느 거리를 넘으면 그 속도는 빛의 속도를 웃돈다. 그 경계까지의 거리를 허블 반지름이라고 부른다. 관측 결과에 따라 다르지만 약 137억 광년으로, 은하를 5cm로 줄인 세계에서는 약 7km에 해당한다.

여기까지의 범위를 굴려 붙여 만든 덩어리를 영상은 다음과 같이 검토한다. 블랙홀에는 사건의 지평선이라고 불리는 경계가 있으며, 그 안쪽에서 바깥으로 정보가 전달되는 일은 없다. 허블 반지름 안쪽에 있는 물질과 암흑물질, 그리고 암흑에너지를 모두 질량으로 환산하고, 그것을 이용해 회전하지 않는 블랙홀의 사건의 지평선을 계산하면 반지름은 약 137억 광년이 되어 원래의 허블 반지름과 같은 값이 된다.

즉 이 우주 영역에 있는 물질과 에너지를 모아 계산하면, 원래 영역과 같은 크기의 블랙홀이 된다. 만약 이 영역을 바깥에서 바라볼 수 있다면 블랙홀로 보이지 않을까. 그런 의문이 떠오른다고 영상은 말한다. 이 발상으로 이어지는 가설이 '블랙홀 우주론'으로, 우리가 사는 우주는 더 큰 우주에 있는 블랙홀의 내부가 아닐까 하는 것이다. 영상은 엉뚱하게 들릴지도 모르지만 수식상으로는 블랙홀 내부에 우리가 존재하는 듯한 우주를 형성하는 것이 가능하다고 소개한다.

한편 영상은 이 가설을 뒷받침하는 관측 결과는 아직 발견되지 않았다고 분명히 말한다. 그리고 두 반지름이 일치하는 데에는 이유가 있다고 설명을 덧붙인다. 관련된 것은 우주의 곡률이다. 일반상대성이론에서는 중력을 시공간의 뒤틀림으로 설명하는데, 여기서 말하는 곡률은 개별 천체 주위에 생기는 시공간의 뒤틀림과는 구별되며, 우주 전체를 큰 척도로 보았을 때 공간이 어떻게 휘어 있는지를 나타내는 것이다. 관측에 따르면 이 우주의 곡률은 0이거나 한없이 0에 가깝다. 이를 전제로 현재 우주의 팽창률을 사용하면 물질과 에너지의 평균 밀도가 정해진다. 그 밀도를 바탕으로 계산하고 있기 때문에 허블 반지름과 사건의 지평선의 반지름이 일치한다는 것이다. 즉 이 일치는 우주가 블랙홀 내부라는 증거가 아니라, 계산의 전제에서 도출되는 것으로 자리매김된다.

우주는 허블 반지름에서 끝나지 않으며, 팽창으로 인해 빛의 속도로 멀어지는 영역의 더 너머에도 펼쳐져 있다. 우주의 실제 크기에는 다양한 추정치가 있는데, 곡률이 한없이 0에 가깝다는 점에서 반지름 7조 광년 이상으로 추정한 물리학자도 있다고 영상은 소개한다.

그렇다면 반지름 7조 광년의 범위를 모두 굴려 붙이면 어떻게 될까. 만들어지는 블랙홀의 반지름을 계산하면 약 180경 광년이 되어, 모은 범위보다 훨씬 커진다. 이 계산을 그대로 적용하면, 모든 것을 다 모으기 전에 덩어리가 우주의 크기를 넘어 우주를 통째로 굴려 붙여 버리게 된다.

하지만 영상은 현재는 우주가 무한히 펼쳐져 있다고 보는 쪽이 주류라고 한다. 그렇다면 답은 단순해서, 아무리 굴려도 끝나지 않는다. 덩어리가 아무리 커져도 그 앞에는 언제나 무한한 우주가 펼쳐져 있다. 나아가 우주가 무한하다면 자신들이 사는 곳과 완전히 똑같은 우주도 무수히 존재하게 되어, 계속 굴려 간 끝에서 완전히 똑같은 광경을 보게 될지도 모른다고 영상은 이어 간다.

마무리로 영상은 지금 이 순간에도 우주에서는 중력에 의해 덩어리가 만들어지고 있다고 말한다. 먼지가 모이고, 암석이 충돌하고, 은하가 서로 끌어당기는 활동은 우주 탄생으로부터 138억 년이 지난 지금도 계속되고 있다. 그리고 우주가 무한하다면 굴려 붙일 수 있는 것에도 끝은 없다. '굴려서 붙이고, 크게 만든다'는 138억 년 전에 시작된 이 활동은 아직 시작에 불과하다는 것이 영상의 결론이다.