블랙홀에 관한 흥미로운 사실들

블랙홀은 우주에서 가장 이상하고 신비한 물체이다. 블랙홀은 아주 밀도가 높으며, 상상 이상의 강한 중력을 가지고 있어서 빛조차도 가까이 오면 벗어날 수 없다. 중력이 너무 강한 탓에 빛이 휘어지고 공간이 뒤틀리고 시간이 왜곡될 정도이다.

블랙홀에 대해 처음 거론한 사람은 알버트 아인슈타인이다. 그는 1916년에 일반 상대성 이론으로 블랙홀의 존재를 처음 예언했다. 블랙홀이라는 용어는 수년 후인 1967년 미국의 천문학자 존 윌러에 의해 만들어졌다. 수십 년 동안 블랙홀이 이론의 대상으로만 알려진 후, 1971년에 처음으로 물리적 블랙홀이 발견되었다. 그 후 2019년에 EHT(Event Horizon Telescope)가 최초로 블랙홀에 대한 영상을 공개하였다. 망원경이 지평선을 조사하던 중 M87 은하 중심에 있는 블랙홀 또는 블랙홀에서 벗어날 수 없는 영역을 보았다. 그 이미지는 광자(빛의 입자)의 갑작스런 손실을 나타냈다. 또한 그것은 블랙홀에 대한 완전히 새로운 연구 주제를 내놓았고, 오늘날 천문학자들이 블랙홀이 어떻게 생겼는지 알게 된 계기가 되었다. 지금까지 밝혀진 블랙홀은 별 블랙홀, 초대질량 블랙홀, 중간 블랙홀 등 세 가지 종류이다.

별 블랙홀

수명이 다한 별이 마지막 연료를 태울 때, 그 물체는 붕괴하거나 그 자체로 떨어질 수 있다. 작은 별들의 경우 새로운 핵은 주로 중성자별 또는 백색 왜성이 된다. 여기서 작은 별이란 태양 질량의 약 3배 미만까지 별들을 말한다. 이보다 더 큰 별이 사라질 때는 계속해서 압축되고 별 블랙홀을 만들어낸다. 개별 항성의 붕괴로 형성된 블랙홀은 상대적으로 작지만 엄청나게 밀도가 높다. 이 물체들 중 하나는 태양의 3배 이상의 질량을 도시의 지름으로 묶는다. 이것은 물체 주위의 물체들을 잡아당기는 엄청난 양의 중력으로 이어진다. 그러면 별 블랙홀은 주변 은하에서 나오는 먼지와 가스를 소비하여 크기가 커지게 한다.

초대질량 블랙홀

작은 블랙홀이 우주를 가득 채우고 있지만 그들의 사촌인 초거대 블랙홀이 지배하고 있다. 이 거대한 블랙홀은 태양보다 수백만배 혹은 수십억배 더 무겁지만 지름은 거의 비슷하다. 그러한 블랙홀은 은하수를 포함한 거의 모든 은하의 중심에 있는 것으로 파악된다. 과학자들은 그렇게 큰 블랙홀이 어떻게 번식하는지 확실히 밝혀내지 못했다. 하지만 네 가지의 가설이 있다. 첫째, 이 거대한 블랙홀들이 형성되면 주변의 먼지와 가스로부터 질량을 모은다. 먼지와 가스는 은하 중심에 풍부한 물질이고, 블랙홀이 훨씬 더 큰 크기로 자랄 수 있게 해준다. 둘째, 초대질량 블랙홀은 수백 또는 수천 개의 작은 블랙홀이 서로 합쳐진 결과일 수 있다. 또는 큰 가스 구름도 함께 붕괴되고 질량이 빠르게 증가하는 원인이 될 수 있다. 세 번째 방법은 별 무리들이 함께 떨어지는 항성단의 붕괴이다. 넷째, 초대질량 블랙홀은 암흑물질의 큰 군집으로부터 발생할 수 있다. 이 물질은 중력이 다른 물체에 미치는 영향을 통해 관측할 수 있는 물질이지만, 암흑물질은 빛을 방출하지 않고 직접적으로 관측될 수 없기 때문에 암흑물질의 구성 성분을 알 수 없다.

중간 블랙홀

과학자들은 한때 블랙홀이 작고 큰 사이즈로만 들어온다고 생각했지만, 최근의 연구는 중간 크기의 블랙홀이 존재할 가능성을 밝혀냈다. 이러한 천체들은 성단의 별들이 연쇄 반응으로 충돌할 때 형성될 수 있다. 같은 지역에서 형성되는 여러 중간 블랙홀들은 결국 은하 중심에 함께 떨어져 초대질량 블랙홀이 될 수 있다. 2014년에 천문학자들은 나선은하의 팔에서 중간 질량의 블랙홀로 보이는 것을 발견했다. 2018년부터의 새로운 연구는 이러한 중간 블랙홀이 왜소은하(또는 매우 작은 은하)의 중심부에 존재할 수 있다는 것을 드러냈다. 이러한 10개의 은하를 관측한 결과(이 중 5개는 과학적으로 알려지지 않은 것)는 블랙홀에서 흔히 볼 수 있는 X선 활동을 통해 태양질량 36,000~316,000개의 블랙홀이 있음을 알 수 있었다. 이 정보는 슬론 디지털 스카이 서베이에서 나왔다. 이 조사는 약 1백만 개의 은하를 조사하여 근처의 파편을 끌어당기는 블랙홀에서 나오는 빛의 종류를 탐지할 수 있는 것이다.

블랙홀은 어떻게 생겼을까?

블랙홀은 외부와 내부 사건의 지평선, 특이점이라는 세 개의 층으로 나눌 수 있다. 사건 지평선은 빛이 빠져나갈 수 없는 블랙홀 입구의 경계선이다. 일단 입자가 사건의 지평선을 통과하면 그 입자는 영영 밖으로 나갈 수 없다. 중력은 사건의 지평선에 걸쳐 일정하다. 물체의 질량이 있는 블랙홀의 내부 영역은 그 특이점, 즉 블랙홀의 질량이 집중되는 시공간의 단일 지점으로 알려져 있다.

우주에서 일반적인 별을 보는 것과 같은 방법으로는 블랙홀을 볼 수 없다. 대신 천문학자들은 먼지와 가스가 밀도가 높은 지점으로 빨려들 때 블랙홀이 방출하는 방사능을 탐지해서 블랙홀을 관측한다. 그러나 은하 중심에 놓여 있는 초거대 블랙홀은 관측이 힘들기도 하다. 두꺼운 먼지와 가스로 블랙홀 주변이 뒤덮여 방사능이 차단되기 때문이다. 이럴 때 블랙홀을 관측하는 또다른 방법이 있다. 가끔 물질이 블랙홀을 향해 쏠리면서 미궁에 말려들기보다는 사건의 지평선에서 벗어나 바깥으로 내동댕이쳐지기도 한다. 그 때 거의 상대적인 속도로 움직이는 밝은 물질 제트가 생성된다. 비록 블랙홀은 보이지 않지만 강력한 제트는 먼 거리에서 볼 수 있다.

시간이 지남에 따라 연구원들은 블랙홀들을 이미지화하여 블랙홀이 어떻게 생겼는지에 대한 데이터를 구축할 것으로 기대하고 있다. 다음 표적은 우리 은하 중심에 있는 블랙홀인 궁수자리 A*일 가능성이 있다. 궁수자리 A*는 예상보다 조용해 흥미를 유발하는데, 이는 자기장이 활동을 방해하기 때문일 수 있다고 2019년 연구는 보도했다. 그 해 또 다른 연구는 시원한 가스 후광이 궁수자리 A*를 둘러싸고 있다는 것을 보여주었는데, 이것은 블랙홀 주위의 환경이 어떻게 생겼는지 전례 없는 통찰력을 준다.

블랙홀에 대한 이상한 사실들

블랙홀에 빠지면 어떻게 될까?

블랙홀에 빠지면 스파게티처럼 중력이 뻗어나간다는 이론이 오래전부터 제기되어 왔다. 만약 사람이 블랙홀에 가까이 간다면 특이점에 도달하기 전에 죽게 된다. 그러나 2012년 네이처 지에 발표된 한 연구는 양자 효과로 인해 사건의 지평선이 불의 벽과 같은 역할을 하게 될 것이라고 했다. 즉, 사건의 지평선 지점에서 사람은 순식간에 타버린다는 것이다.

블랙홀은 물질을 빨아들이는 것일까?

블랙홀은 물질을 빨아들이지 않는다. 흡입은 진공으로 무언가를 끌어당겨 발생하는 현상이다. 하지만 블랙홀은 진공이 아니다. 물체들이 지구와 같이 중력을 가진 대상에 떨어지는 것처럼 블랙홀에 빠지는 것이다.