2019년 4월 10일, 전 세계가 M87 은하 중심 블랙홀의 첫 사진을 보았을 때 밤새 화면을 들여다봤습니다. 어릴 때부터 블랙홀이 동경의 대상이었거든요. 빛조차 빠져나갈 수 없는 우주의 가장 극단적인 천체. 이 글에서는 초보자도 이해할 수 있도록 블랙홀의 핵심 개념을 정리했습니다.
블랙홀은 아인슈타인의 일반상대성이론이 예측한 가장 극단적인 천체입니다. 2015년 LIGO가 블랙홀 충돌로 인한 중력파를 관측하면서 이론적 존재에서 관측적 실체로 확립됐죠.
블랙홀은 어떻게 탄생하는가
가장 흔한 항성 질량 블랙홀은 대질량 별의 생명 주기 끝에서 탄생합니다. 태양 질량의 20배 이상인 무거운 별은 핵융합 연료가 다 소진되면 자체 중력을 버티지 못하고 중력 붕괴를 일으킵니다. 초신성 폭발로 외곽층이 날아가고 남은 핵이 한 점으로 압축되며 블랙홀이 되죠.
이때 핵의 밀도는 무한대에 가까워지고 부피는 거의 0에 수렴합니다. 이 특이한 지점을 특이점(singularity)이라 부르며 현재 물리학의 법칙으로는 설명할 수 없는 영역입니다. 양자역학과 일반상대성이론을 통합하는 양자중력이론이 완성되면 특이점의 본질을 이해할 수 있을 것으로 학자들은 기대하고 있습니다.
블랙홀의 종류
- 항성 질량 블랙홀 (태양 질량 3~100배): 대질량 별 붕괴로 형성. 가장 많이 발견되는 유형
- 중간질량 블랙홀 (100~10만 배): 구상성단 중심에서 발견되는 드문 유형
- 초대질량 블랙홀 (100만~100억 배): 은하 중심에 위치. M87 블랙홀이 대표적
- 원시 블랙홀: 빅뱅 직후 우주 초기 조건에서 형성되었다는 가설
최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 관측으로 우주 초기(빅뱅 후 수억 년 이내)에 이미 수십억 태양 질량의 초대질량 블랙홀이 존재했다는 증거가 발견되어 천문학계에 큰 화제입니다.
사건의 지평선이란
사건의 지평선은 블랙홀의 경계선입니다. 이 경계를 넘어서면 빛조차 빠져나올 수 없죠. 반지름은 슈바르츠실트 반경이라 불리며 블랙홀의 질량에 비례합니다. 태양을 블랙홀로 압축하면 슈바르츠실트 반경은 약 3km에 불과합니다. 지구라면 약 9mm(동전 크기)입니다.
사건의 지평선 가까이 다가간 물체는 극심한 조석력을 겪습니다. 이탈리아 면발에 비유해 스파게티화(spaghettification)라고 부르죠. 물체가 블랙홀 방향으로 길게 늘어나며 찢어집니다.
블랙홀은 어떻게 관측할까
블랙홀 자체는 빛을 내지 않지만 주변 물질이 회전하며 빨려 들어갈 때 강렬한 복사를 냅니다. 이를 강착원반(accretion disk)이라 하며 X선 망원경으로 관측할 수 있습니다.
2019년 전 세계 망원경을 연결한 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)이 M87 블랙홀의 그림자 이미지를 촬영했습니다. 2022년에는 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 블랙홀 이미지도 공개됐죠.
유명한 블랙홀들
- 궁수자리 A*: 우리 은하 중심. 태양 질량 약 430만 배
- M87 블랙홀: 처음 사진이 촬영된 블랙홀. 태양 질량 약 65억 배
- Cygnus X-1: 최초로 확인된 항성 질량 블랙홀. 태양 질량 약 21배
- TON 618: 알려진 가장 거대한 블랙홀 중 하나. 태양 질량 약 660억 배
호킹 복사: 블랙홀도 사라질까?
스티븐 호킹은 1974년 블랙홀이 서서히 증발한다는 이론을 발표했습니다. 호킹 복사라고 부르죠. 하지만 항성 질량 블랙홀이 완전히 증발하는 데는 약 10의 67제곱 년이 소요됩니다. 우주 나이(138억 년)보다 월등히 길죠. 사실상 영원히 존재한다고 봐도 무방합니다.
한국천문연구원(KASI)도 EHT 프로젝트에 참여하여 블랙홀 연구에 기여하고 있습니다. KVN(한국 VLBI 관측망)은 서울, 울산, 제주 3개소의 전파망원경으로 구성되어 있죠.