블랙홀은 어떻게 태어나고 어떻게 자라는가?

우주 이야기 7편
블랙홀은 어떻게 태어나고 어떻게 자라는가?

별의 죽음에서 시작된 작은 어둠은 어떻게 은하의 중심을 지배하게 되었을까

밤하늘을 바라보면 우리는 수많은 별을 봅니다.

별은 빛을 내고, 태어나고, 오랜 시간 자신의 에너지를 소모하며 살아갑니다.

그리고 언젠가는 죽음을 맞이합니다.

그런데 모든 별의 죽음이 같은 모습으로 끝나는 것은 아닙니다.

어떤 별은 조용히 생을 마감하고, 어떤 별은 거대한 폭발을 일으키며 자신의 흔적을 우주에 흩뿌립니다.

그리고 아주 거대한 별의 경우,

그 마지막에 우리가 알고 있는 가장 신비로운 천체 가운데 하나가 탄생할 수 있습니다.

블랙홀입니다.

하지만 여기서 한 가지 질문이 생깁니다.

«블랙홀은 도대체 어떻게 만들어지는 것일까?»

그리고 더 놀라운 질문이 이어집니다.

«태양보다 몇 배나 무거운 별의 잔해에서 태어난 블랙홀이 어떻게 태양 수백만 개, 수십억 개에 해당하는 질량을 가진 거대한 블랙홀로 성장할 수 있었을까?»

오늘은 바로 그 이야기를 해보겠습니다.

1. 블랙홀의 시작은 '별의 죽음'일 수 있다

우주에는 엄청나게 거대한 별들이 존재합니다.

별은 내부에서 핵융합을 일으키면서 에너지를 만들어냅니다.

이 에너지는 별을 바깥쪽으로 밀어내고, 별 자체의 중력은 안쪽으로 끌어당깁니다.

오랜 시간 동안 이 두 힘이 균형을 이루면서 별은 자신의 모습을 유지합니다.

하지만 연료가 소진되기 시작하면 상황이 달라집니다.

별 내부에서 중력을 버티던 힘이 약해지면서 중심부가 급격하게 붕괴할 수 있습니다.

특히 매우 무거운 별의 경우 중심핵이 붕괴하면서 거대한 폭발이 일어날 수 있습니다.

바로 초신성 폭발입니다.

그리고 폭발이 끝난 뒤에도 중심부에 엄청난 질량이 남아 있다면,

그 물질은 계속해서 자신의 중력에 의해 붕괴할 수 있습니다.

그 결과가 블랙홀입니다.

즉,

블랙홀은 아무것도 없는 공간에서 갑자기 나타나는 것이 아닙니다.

적어도 항성질량 블랙홀의 경우에는,

한때 눈부시게 빛났던 별의 마지막 흔적일 수 있습니다.

2. 그런데 왜 별은 멈추지 않고 계속 붕괴할까?

여기에는 중력이라는 아주 단순하면서도 무서운 힘이 있습니다.

우리가 지구에서 서 있을 수 있는 것도 지구의 중력 때문입니다.

태양이 지구를 붙잡고 있는 것도 중력 때문입니다.

별 역시 자신의 질량 때문에 강력한 중력을 가지고 있습니다.

평소에는 별 내부에서 만들어지는 에너지가 이 중력을 견뎌냅니다.

하지만 핵융합 연료가 소진되면 이야기가 달라집니다.

중력을 막아낼 힘이 약해지고,

별의 중심부는 계속해서 안쪽으로 무너집니다.

그런데 질량은 사라지는 것이 아닙니다.

엄청난 양의 물질이 아주 작은 공간으로 압축됩니다.

질량이 작은 공간에 집중될수록 중력은 더욱 강해집니다.

그리고 어느 순간,

빛조차 빠져나올 수 없는 경계가 만들어집니다.

그것이 바로 **사건의 지평선(Event Horizon)**입니다.

3. 사건의 지평선은 블랙홀의 '표면'이 아니다

블랙홀을 그림으로 보면 마치 검은 공처럼 표현되는 경우가 많습니다.

하지만 실제로 사건의 지평선은 우리가 생각하는 별의 표면 같은 것이 아닙니다.

그것은 경계입니다.

이 경계를 넘어가면 외부로 다시 빠져나오는 것이 불가능합니다.

빛조차 마찬가지입니다.

그래서 우리는 블랙홀 자체를 직접 볼 수 없습니다.

그렇다면 이상하지 않을까요?

보이지 않는 물체가 있다는 사실을 어떻게 알 수 있을까요?

방법은 있습니다.

주변을 보면 됩니다.

블랙홀 주변의 별이나 가스가 비정상적으로 움직이거나,

주변 물질이 엄청난 속도로 회전하거나,

빛이 강한 중력 때문에 휘어진다면,

그 중심에 보이지 않는 거대한 질량이 존재한다고 추론할 수 있습니다.

우리는 블랙홀 자체를 보는 것이 아니라,

블랙홀이 우주에 남기는 흔적을 보는 것입니다.

4. 블랙홀은 '우주 진공청소기'가 아니다

블랙홀에 관한 가장 흔한 오해가 있습니다.

바로

"블랙홀은 주변의 모든 것을 무조건 빨아들인다."

라는 생각입니다.

하지만 사실은 그렇지 않습니다.

블랙홀은 우주 공간을 돌아다니며 모든 것을 집어삼키는 거대한 진공청소기가 아닙니다.

멀리 떨어져 있는 물체가 느끼는 중력은 같은 질량을 가진 다른 천체와 기본적으로 같은 방식으로 작용합니다.

예를 들어 태양이 같은 질량의 블랙홀로 갑자기 바뀐다고 가정한다면,

지구가 즉시 블랙홀에 빨려 들어가는 것은 아닙니다.

지구의 궤도는 크게 달라지지 않습니다.

다만 태양빛이 사라지기 때문에 지구의 환경은 완전히 달라질 것입니다.

NASA 역시 블랙홀을 '우주 진공청소기'로 생각하는 것은 잘못된 비유라고 설명합니다.

블랙홀이 무서운 이유는

무조건 모든 것을 빨아들이기 때문이 아니라,

아주 가까이 접근했을 때 중력이 극단적으로 강해지기 때문입니다.

5. 블랙홀은 혼자서 자라지 않는다

블랙홀은 태어난 뒤에도 성장할 수 있습니다.

주변의 가스와 물질이 블랙홀 쪽으로 끌려가면,

그 물질은 곧바로 블랙홀 안으로 떨어지는 것이 아니라 주변에서 거대한 원반 형태로 회전할 수 있습니다.

이것을 **강착원반(Accretion Disk)**이라고 합니다.

그리고 이 물질은 엄청난 속도로 회전하면서 서로 충돌하고 뜨거워집니다.

그 과정에서 강력한 빛과 다양한 형태의 에너지가 방출될 수 있습니다.

흥미로운 것은,

우리가 블랙홀을 관측할 때 바로 이 주변의 빛을 이용하는 경우가 많다는 것입니다.

블랙홀 자체는 빛을 내거나 반사하지 않지만,

주변 물질은 엄청나게 밝게 빛날 수 있습니다.

그러니까 우주에서 블랙홀을 찾는다는 것은

검은색을 찾는 일이 아니라, 검은색 주변에서 벌어지는 엄청난 사건을 찾는 일에 가깝습니다.

6. 작은 블랙홀은 어떻게 거대한 블랙홀이 되는가?

여기에서 더욱 놀라운 이야기가 시작됩니다.

천문학자들은 블랙홀을 크게 여러 종류로 연구합니다.

그중 하나가 항성질량 블랙홀입니다.

거대한 별의 죽음과 관련되어 만들어지는 블랙홀입니다.

그런데 우주에는 이보다 훨씬 거대한 블랙홀도 있습니다.

바로 초대질량 블랙홀입니다.

이들은 태양의 수십만 배에서 수십억 배에 이르는 질량을 가질 수 있습니다.

그렇다면 질문이 생깁니다.

처음부터 그렇게 컸던 것일까요?

아니면 시간이 지나면서 성장한 것일까요?

과학자들에게 이것은 아직 완전히 해결되지 않은 중요한 문제 가운데 하나입니다.

블랙홀은 주변 물질을 흡수하면서 성장할 수 있고,

다른 블랙홀과 합쳐지면서 더 커질 수도 있습니다.

즉 우주에서는

블랙홀이 블랙홀을 만나 더 거대한 블랙홀이 되는 사건도 실제로 일어납니다.

그리고 그 과정에서 우주 공간을 흔드는 특별한 신호가 만들어집니다.

바로 중력파입니다.

7. 두 개의 블랙홀이 충돌하면 우주는 흔들린다

2015년,

인류는 아주 특별한 신호를 처음으로 직접 검출했습니다.

바로 중력파였습니다.

서로를 공전하던 두 블랙홀이 점점 가까워지고,

마침내 하나로 합쳐지면서 만들어낸 시공간의 물결이 지구까지 도달한 것입니다.

아인슈타인이 일반상대성이론을 통해 예측했던 중력파가 실제로 관측된 순간이었습니다.

생각해 보면 정말 놀라운 일입니다.

약 13억 년 전 우주 어딘가에서 일어난 사건이,

아주 오랜 시간을 여행한 뒤 지구에 도착했습니다.

그리고 인류는 그 미세한 흔들림을 측정했습니다.

우리는 이제 빛만으로 우주를 바라보는 것이 아니라,

우주가 흔들리는 방식까지 들여다볼 수 있게 된 것입니다.

8. 우리 은하 한가운데에도 블랙홀이 있다

그리고 이 이야기가 결코 먼 우주의 이야기가 아니라는 사실을 알아야 합니다.

우리 은하 중심에도 거대한 블랙홀이 존재합니다.

그 이름은

**궁수자리 A*(Sagittarius A*)**입니다.

태양 질량의 약 400만 배에 해당하는 초대질량 블랙홀입니다.

우리 은하 중심부에서는 수많은 별들이 이 거대한 질량의 주변을 빠르게 움직이고 있습니다.

우리는 그 별들의 움직임을 관측함으로써

보이지 않는 중심에 엄청난 질량이 존재한다는 사실을 확인할 수 있습니다.

더 놀라운 것은,

최근 제임스 웹 우주망원경을 비롯한 관측을 통해

궁수자리 A* 주변처럼 극도로 강한 환경에서도 별과 먼지, 물질이 어떤 모습으로 존재하는지에 대한 새로운 정보가 계속 밝혀지고 있다는 점입니다.

블랙홀은 모든 것을 단순히 파괴하는 존재가 아니라,

은하의 중심에서 별과 가스의 움직임, 물질의 흐름과 깊게 연결된 천체이기도 합니다.

9. 블랙홀은 은하보다 먼저 존재했을까?

여기에서 또 하나의 거대한 수수께끼가 등장합니다.

오늘날 많은 큰 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이 존재합니다.

그런데 우주 초기에도 이미 엄청나게 거대한 블랙홀의 흔적이 발견됩니다.

그렇다면 질문은 이렇게 바뀝니다.

블랙홀이 먼저였을까요?

아니면 은하가 먼저였을까요?

은하가 만들어진 뒤 중심에 블랙홀이 성장했을까요?

아니면 아주 초기 우주에서 거대한 블랙홀이 먼저 만들어지고,

그 주변에서 은하가 성장했을까요?

이 문제는 현대 천문학에서 여전히 중요한 연구 대상입니다.

우리는 블랙홀이 존재한다는 사실은 알고 있지만,

초대질량 블랙홀이 어떻게 그렇게 짧은 우주 역사 속에서 그렇게 거대해졌는지에 대해서는 아직 모든 답을 갖고 있지 않습니다.

10. 우리가 모르는 것이 아직 훨씬 많다

블랙홀의 가장 깊은 곳으로 들어가면

과학은 다시 벽을 만납니다.

사건의 지평선 안쪽에서 실제로 무엇이 일어나는지,

블랙홀 중심의 특이점이 실제 자연에서 어떤 모습인지,

중력과 양자역학을 어떻게 하나의 이론으로 설명할 수 있는지.

아직 완전한 답은 없습니다.

그래서 블랙홀은 단순한 천문학의 대상이 아닙니다.

블랙홀은

우리가 알고 있는 물리학의 경계가 어디까지인지 시험하는 자연의 실험실이기도 합니다.

우리가 블랙홀을 연구할수록 오히려 더 많은 질문이 생깁니다.

그리고 그것이 과학의 아름다움인지도 모릅니다.

11. 별의 죽음에서 우주의 질문으로

한때 빛나던 별이 죽습니다.

그 잔해가 자신의 중력에 의해 무너집니다.

그리고 어느 순간,

빛조차 빠져나올 수 없는 경계가 만들어집니다.

블랙홀이 탄생합니다.

하지만 그것으로 이야기가 끝나는 것이 아닙니다.

블랙홀은 주변 물질을 끌어모으며 성장하고,

다른 블랙홀과 충돌하며 더 커지고,

그 과정에서 시공간 자체에 흔적을 남깁니다.

그리고 수십억 년이 지난 뒤,

지구에 사는 인간은 그 흔적을 찾아냅니다.

어쩌면 이것이 블랙홀이 우리에게 알려주는 가장 놀라운 사실일지도 모릅니다.

우리는 우주의 가장 어두운 천체를 연구하면서 오히려 우주의 역사를 읽고 있습니다.

12. 그리고 다음 질문

블랙홀은 태어납니다.

성장합니다.

충돌합니다.

그리고 주변의 시공간을 뒤흔듭니다.

그런데 여기에서 아주 이상한 질문 하나가 남습니다.

블랙홀은 영원히 존재할까요?

모든 것을 삼키기만 하는 것처럼 보이는 블랙홀이

언젠가는 사라질 수도 있을까요?

만약 블랙홀이 사라진다면,

그 안으로 들어간 물질과 정보는 어떻게 되는 것일까요?

그리고 그 질문은

20세기 물리학자 스티븐 호킹이 제기한 놀라운 아이디어와 연결됩니다.

블랙홀도 아주 긴 시간에 걸쳐 에너지를 잃을 수 있다는 것입니다.

그렇다면 우주의 마지막까지 살아남을 것 같았던 블랙홀조차 언젠가는 사라질 수 있을까요?

다음 8편에서는 바로 이 질문을 따라가 보겠습니다.

「우리의 우주 이야기」 8편 예고

블랙홀도 결국 사라질까?

호킹 복사와 블랙홀의 마지막 순간

우주의 가장 강력한 포식자처럼 보였던 블랙홀이

오히려 아주 천천히 자신의 에너지를 잃고 있다면 어떨까요?

그리고 블랙홀이 마지막 순간에 사라진다면,

그 안에 들어간 정보는 어디로 가는 것일까요?

다음 이야기에서는

블랙홀의 가장 깊고도 어려운 수수께끼,

**'블랙홀 정보 역설'**을 쉽게 풀어보겠습니다.

참고한 주요 자료

NASA Science의 블랙홀 구조 및 관측 자료, NASA의 블랙홀 형성과 종류 설명, NASA의 블랙홀 관측 방법 자료를 바탕으로 작성했습니다.

우리 은하 중심의 궁수자리 A*에 관한 질량과 환경 정보는 ESA 자료도 함께 참고했습니다.