블랙홀이 별을 삼킨다

천문학자

알베르트 아인슈타인

우주에는 별, 행성, 기타 천체를 포함해 셀 수 없이 많은 종류의 천체가 있습니다. 이 천체들 중 가장 강력하고 무서운 것이 무엇인지 묻는다면 많은 사람들이 블랙홀을 떠올릴 것이라 믿습니다.

네, 블랙홀은 현재 인류가 알고 있는 우주에서 가장 지배적인 천체입니다. 그 중력은 너무 강해서 빛조차도 들어가기만 하면 어떤 물질도 빠져나올 수 없습니다. 블랙홀은 인간이 지구에서 나와 우주를 탐험한 이후 발견된 가장 특별한 천체라고 할 수 있다.

블랙홀이 빛까지 삼킬 수 있다면 인간은 어떻게 블랙홀의 존재를 발견하고 증명했느냐고 묻는 친구들도 있을 것입니다. 사실 초기에 블랙홀은 일반상대성이론을 바탕으로 과학자들이 추측한 천체의 일종에 불과했다. 나는 아인슈타인의 상대성 이론이 얼마나 위대한지 모두가 매우 분명하게 알고 있다고 믿습니다.

1916년 독일 천문학자 칼 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild)는 아인슈타인의 장 방정식에 대한 진공 해법을 계산했습니다. 이 해법은 정적 구형 대칭 별의 실제 반경이 고정 값보다 작으면 주변에서 이상한 현상이 발생한다는 것을 보여주었습니다. 즉, "사건의 지평선"이라는 인터페이스가 있습니다. 이 인터페이스에 들어가면 빛조차도 빠져나갈 수 없습니다. 이 고정된 값을 슈바르츠실트 반경이라고 하며, 이 "믿을 수 없는 물체"는 미국 물리학자 존 아치볼드 휠러(John Archibald Wheeler)에 의해 "블랙홀"이라고 명명되었습니다.

블랙홀은 원래 과학자들이 추측한 특별한 천체였으나, 인류 과학기술의 지속적인 발전으로 블랙홀의 존재가 관측되고 있다. 그러면 과학자들은 빛조차 삼킬 수 있는 이 강력한 천체를 어떻게 관찰했습니까?

네, 블랙홀의 중력은 너무 강해서 그것이 별이든, 행성이든, 빛이든 일단 '사건의 지평선'에 들어가면 아무 것도 없다는 뜻입니다. 탈출하는 방법, 그리고 결국 삼켜질 것입니다. 빛이 새어 나오지 않으면 머리카락 구멍을 관찰할 수 없습니다.

블랙홀의 강력한 삼키는 능력 때문에 진정으로 자신을 숨기기가 어렵습니다. 특히 거대 블랙홀의 경우 너무 강력하기 때문에 별을 삼키면 떠나는 경우가 많습니다. 매우 밝은 별 뒤에 있는 흔적은 과학자들이 강착 원반이라고 부르는 것입니다.

강착원반의 중심은 블랙홀이다. 우리는 블랙홀의 진정한 모습을 볼 수 없지만, 그것을 둘러싸고 있는 밝은 강착원반을 관찰할 수 있다. 강착원반을 관찰하면 거기에 거대한 블랙홀이 있다는 것을 알 수 있습니다.

블랙홀이 별을 삼키면 강착원반이 형성된다는 사실은 알고 있지만, 블랙홀이 별을 삼키는 과정을 관찰하는 것은 매우 어렵다. 블랙홀이 별을 삼키는 과정을 관찰해야만 블랙홀에 대해 더 많이 알 수 있습니다.

2019년 9월 19일부터 과학자들은 별이 초대질량 블랙홀에 떨어지고 삼켜지는 과정을 관찰하는 행운을 누렸습니다. 이 삼키는 과정에서 터져나온 에너지는 태양의 100억 배에 달했는데, 이는 장엄한 우주의 향연이었다. 이 사건은 당시 과학자들에 의해 AT2019qiz로 명명되었습니다. 당시 전 세계의 천문 망원경은 이 놀라운 천체 현상을 목격했습니다.

이번 사건이 발생한 장소는 지구에서 약 2억 1500만 광년 떨어진 에리다누스자리 방향에 위치해 있다. 태양 질량의 100만배에 달하는 블랙홀이 있으며, 사건의 지평선 직경은 600만㎞로 태양 직경의 4배 이상이다. 원래 비교적 조용했던 블랙홀 지평선은 별의 침입으로 인해 끓어오르게 되었습니다.

초거대 블랙홀은 별을 매우 빠르게 잡아먹습니다. 별이 블랙홀로부터 아직 7천만 킬로미터 떨어져 있을 때, 블랙홀의 강한 중력에 끌려가기 시작합니다. 별의 바깥쪽과 안쪽은 서로 다른 중력을 경험하여 엄청난 조석 중력 차이가 발생합니다. 이 때 별은 마치 라면처럼 길고 얇은 '국수'로 늘어납니다.

이러한 중력에 더해 별의 외각 물질은 끊임없이 찢겨지고, 물질의 격렬한 마찰로 인해 많은 양의 에너지가 생성되어 그 일부가 블랙홀로 떨어진다. 회전하고 그 일부는 강한 자기장의 작용으로 빠르게 회전하여 회전합니다. 블랙홀의 극은 고속으로 방출되어 밝은 빛을 생성합니다.

이러한 밝은 빛은 가시광선, 초음파, X선을 포함한 고에너지 방사선입니다. 블랙홀이 별을 삼키는 사건은 10월 8일 최고조에 달했다. 과학자들의 추정에 따르면 이때 방출되는 에너지는 태양의 100억 배에 달할 만큼 높았다. 별 전체가 블랙홀의 중력에 끌려가고, 물질의 절반은 삼켜지고, 물질의 절반은 고속으로 분출되면서 거대한 거품이 형성된다.

이것도 물질이 에너지로 진화하는 과정이다. 태양의 핵융합 전환율은 0.7에 불과하지만 블랙홀이 별을 집어삼키는 과정에서 그 전환율은 10~40에 달해 얼마나 강력한지 보여준다. 강력하고 우주의 군주인 천수(Tianxiu)가 될 자격이 있습니다.

이번 관찰 경험을 통해 우리는 블랙홀이 어떻게 물질을 먹는지 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 블랙홀의 공포를 다시 한 번 볼 수 있습니다. 만약 태양이 움직이는 동안 어느 날 거대한 블랙홀의 중력 범위에 들어간다면, 태양은 그 별과 같은 운명을 겪을 수도 있습니다.

스타는 혼자 움직이지 않는 경우가 많으며, 모션 외에도 스타 시스템이 있는 경우가 많습니다. 2억 1500만 광년 떨어진 블랙홀이 삼킨 별 주변에 행성이 있는지 우리는 알 수 없다. 생명체 거주가능지대는 아마도 블랙홀에 삼켜질 것이다.

블랙홀 앞에서는 그 어떤 천체나 물질도 너무나 약해 보인다. 비록 태양계가 은하 중심 블랙홀로부터 25,000광년 떨어져 있지만 그럴 필요는 없다. 언젠가는 삼켜질까 봐 걱정하세요. 그러나 우리는 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 외에도 우주에는 더 많은 중소질량 블랙홀이 있다는 사실을 잊어서는 안 됩니다.

중소질량 블랙홀의 강착원반은 명확하지 않거나 심지어 강착원반이 없는 경우가 많습니다. 이 경우 블랙홀은 우리 앞에 전혀 보이지 않으며, 태양계 주변에 이렇게 중소질량 블랙홀이 없다고 확신할 수 없습니다. 만약 이런 블랙홀이 존재한다면 여전히 태양계에 큰 위협이 될 것이며, 일단 이 작은 블랙홀이 자라서 큰 블랙홀로 변하면 태양계도 삼켜질 운명에서 벗어나기 어려울 것입니다.

만약 이런 날이 와서 인간이 삼켜지는 운명에서 벗어나고 싶다면, 유일한 방법은 태양계를 떠나 블랙홀에서 멀어지는 것뿐이다. 이를 위해서는 우리는 성간 문명이 되어야 하고 성간 공간을 탐색할 수 있는 능력을 갖추어야 합니다. 따라서 인류는 여전히 과학 기술을 빠르게 발전시켜 하루빨리 성간 문명이 되기 위해 더 많은 노력을 기울여야 합니다.