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자연에는 강력, 전자기력, 약력, 중력 등 4가지 힘이 존재한다. 만약 강력의 크기를 1로 보면 전자기력은 1백분의 1, 약력은 10만분의 1, 그리고 중력은 이에 훨씬 못미치는 1038분의 1밖에 되지 않는다. 하지만 막내둥이이자 가장 힘이 약한 중력이 우주를 지배하고 있다는 사실은 신비로운 일이다.

중력은 물체와 물체 사이에 당기는 힘이다. 그래서 지구에서 우주선을 타고 우주로 나가려고 한다면 중력을 이겨낼 힘이 필요하다. 이 때문에 이탈속도(탈출속도)라는 개념이 생겨났다. 지구적도에서 우주 밖으로 우주선을 쏘아올리려면 최소 11.18km/초라는 이탈속도가 필요하다.
만약 중력이 엄청나게 커진다면 1초에 30만km를 달리는 빛마저 탈출할 수 없는 곳이 생겨난다.

눈치를 챘겠지만 빛이 탈출할 수 없는 곳은 바로 블랙홀이다. 그러므로 빛이 탈출할 수 없는 곳이 된다는 것은 바로 블랙홀이 된다는 것을 의미한다. 독일의 천문학자인 슈바르츠실트는 이탈속도와 빛의 속도를 이용해 블랙홀이 되려면 어떤 조건이 필요한지를 알아냈다. 이탈속도(v)는$\sqrt{\frac{2GM}{R}}$인데, 슈바르츠실트는 이탈속도(v) 대신에 빛의 속도(c)를 넣어 블랙홀의 반지름을 간단하게 구해낸 것이다(c＝$\sqrt{\frac{2GM}{R}}$). 이를 슈바르츠실트 반지름이라고 부르는데,$\frac{2GM}{{c}^{2}}$이 된다.

만약 태양, 지구, 사람이 각각 블랙홀이 되려면 얼마나 작아져야 할까. 빛의 속도(c)를 3×${10}^{8}$m/초, 중력가속도(G)를 6.7×${10}^{11}$m³${kg}^{-1}$${초}^{-2}$라고 할 때 각각의 반지름을 구해보면 (표1)과 같다. 놀라운 것은 지구가 블랙홀이 되려면 중력에 의해 반지름이 1cm 정도로 작아져야 한다는 사실이다. 또 사람의 경우에는 전자(${10}^{-18}$m)보다 1천만배나 작아져야 블랙홀이 될 수 있다.

하지만 태양, 지구, 사람 등이 블랙홀이 될 가능성은 전혀 없다. 태양은 현재 내부에서 핵융합이 일어나 압력이 매우 높기 때문에 중력이 힘을 쓸 수 없다. 또 수소로 이뤄진 핵연료가 다 떨어진다고 해도 태양은 수축해 블랙홀이 될 만큼 질량이 크지 못하다. 지구와 사람 역시 물질이 무한히 수축할 수 있을 만한 질량을 갖고 있지 못하기 때문에 블랙홀이 될 수 없다. 물론 10만분의 1g으로 이뤄진 아주 작은 블랙홀이 가능하지만 이것은 고온고압의 빅뱅 때나 가능했던 이야기다.
 

2.블랙홀 해부도 머리털이 없다

블랙홀이란 빛조차 탈출할 수 없을 정도로 중력이 매우 큰 천체를 말한다. 블랙홀(black hole), 즉 ‘검은 구멍’이란 이름은 빛이 빠져나오지 못해 검게 보이고 모든 것이 빠져드는 구멍 같다는데서 붙여진 이름이다. 그래서 블랙홀이 존재한다는 사실은 과학적으로 증명됐지만, 어떤 사람도 블랙홀을 본 적은 없다.

1783년 영국의 미첼은 질량을 가진 물체 주위에서 빛이 휠 수 있다는 것을 주장했다. 그러나 이러한 주장은 1915년 아인슈타인의 일반상대성이론이 등장하기 전까지 까맣게 잊혀지고 있었다. 아인슈타인은 질량(중력)을 가진 물체 주위에는 공간이 휘기 때문에 이에 따라 빛이 휜다는 사실을 이론적으로 설명했다. 그의 설명은 1919년 영국의 천문학자 에딩턴이 관찰한 개기일식에 의해 증명됐다.

블랙홀의 존재는 아인슈타인의 일반상대성이론으로부터 예견됐다. 그리고 1916년 독일의 과학자 슈바르츠실트에 의해 처음 이론화됐다. 그러나 1969년 미국의 휠러가 ‘블랙홀’이란 이름을 붙일 때까지 빛조차 삼키는 이 괴물 천체는 그다지 주목받지 못했다. 당시까지만 해도 사람들은 블랙홀을 ‘검은 별’(black star) 또는 ‘얼어붙은 별’(frozen star)이라고 불렀다.

1974년 블랙홀에 대한 연구는 일대 전환을 맞이했다. 현존하는 최고의 과학스타 스티븐 호킹이 블랙홀에서도 빛이 나올 수 있다는 점을 밝혀낸 것이다. 진공에서는 끊임없이 입자와 반입자가 생겨났다 소멸한다. 만약 둘 중 하나가 검은 구멍으로 빨려들어가고 나머지 입자 하나가 밖으로 나온다면 빛을 내는 것과 같다. 이와 같이 블랙홀에서 빛이 나오는 것을 ‘호킹 복사’라고 한다.
 

■블랙홀에는 머리털이없다

블랙홀의 아버지라고 불리는 휠러(사진)는“블랙홀에는 머리털이 없다”(Blackholes have no hair)고 말한 바 있다. 이 말은 빛이 나오지 않기 때문에 블랙홀에서는 어떤 물리적인 성질도 알아낼 수 없다는 것을 의미한다. 하지만 블랙홀에서 질량, 각운동량, 전하 등은 알아낼 수 있다. 그러므로 블랙홀은 세가닥의 털밖에 없다고 해야할 것이다.

■블랙홀의 유래

1956년 6월 인도 캘커타의 토굴에서 갇힌 1백46명의 영국병사들 중 1백23명이 하룻밤새에 죽었다. 그래서 한번 들어가면 다시 살아나오지 못하는 곳을 ‘캘커타의 블랙홀’이라고 부른다. 1969년 미국의 휠러가 블랙홀에 대한 대중강연을 할 때 청중중에서 캘커타의 블랙홀과 같은 천체냐고 물은 적이있다고 한다. 그후 휠러는 빛이 빠져 나올 수 없는 천체를 블랙홀이라고 불렀다.

3.블랙홀의 생성과 종말 호킹복사로 증발

블랙홀은 별이 진화해 죽음에 이르면 나타난다. 그러나 모든 별이 블랙홀이 되는 것은 아니다. 어떤 것은 작고 하얗게 빛나는 백색 왜성으로 변하고, 어떤 것은 고리모양의 행성상 성운이 갑자기 폭발하는 초신성이 되고, 또 어떤 것은 중성자로 이뤄진 중성자별로 진화한다. 그렇다면 어떤 별이 블랙홀로 변하는 것일까.

우주공간에 흩어져있는 성간물질(가스)이 중력에 의해 모이면 내부온도가 올라간다. 내부온도가 1천만℃에 이르면 핵융합반응이 일어나 별이 된다. 그러나 핵융합이 끝난 별은 중력 때문에 수축하면서 죽음으로 치닫는다.

핵융합이 끝난 가벼운 별 내부에는 전자, 양성자, 중성자들이 조밀하게 모인다. 이들 입자들 사이의 거리가 매우 좁아지면 새로운 압력이 생겨난다. 이를‘축퇴압력’이라고 부른다. 일반적으로 별이 중력에 의해 수축하면 내부온도가 올라가 고압력이 증가한다. 그러나 축퇴압력이 지배하는 별의 내부에서는 내부압력이 증가하지 않고 온도만 급격히 상승한다. 따라서 별은 계속해서 수축한다. 이때부터 별은 질량에 따라 매우 다양한 무덤을 준비한다.
 

■가장 작은 블랙홀과 가장 큰 블랙홀

이론적으로 보면 가장 작은 블랙홀의 질량은 10만분의 1g이다. 이렇게 작은 블랙홀은 고온고압의 상태였던 빅뱅 때 만들어졌다. 별이 진화해서 만들어질 수 있는 가장 큰 블랙홀은 태양 질량보다 1백배 정도 큰 별이다. 이는 별의 한계질량이 태양질량보다 1백배 크다는 점에서 유추한 것이다. 하지만 최근 우리은하와 안드로메다은하의 중심에 태양질량의 수백만배에 이르는 블랙홀이있다는 사실이 밝혀짐으로써 블랙홀의 최대크기는 태양질량의 1백만배 - 1백억배에 이를 것으로 추정된다.

■블랙홀은 영원히 존재할까

블랙홀은 무한히 작아지게 돼 있다. 질량이 변하지 않으면서 영원히 작아지기만 할 수 있을까. 이러한 의문은 스티븐 호킹에 의해 풀렸다. 호킹의 주장에 따르면 블랙홀은 증발한다는 것.

진공에서는 입자와 반입자가 끊임없이 같이 생겨났다 같이 없어진다. 그러나 이런 현상은 매우 짧은 시간동안에 일어나기 때문에 관측할 수 없고 다만 이론적으로 존재한다. 블랙홀과 그 주변에서도 이런 현상이 일어난다고 호킹은 생각했다. 문제는 입자와 반입자 중 하나가 블랙홀에 빠져들지 않았을 때다. 그럴 경우 블랙홀에서는 빛이 나올 수 있다. 이를‘호킹복사’라고 한다. 결국 호킹 복사가 반복되면 블랙홀은 증발해 없어진다. 블랙홀의 증발은 질량이 작을수록 빨리 일어난다. 블랙홀이 증발할 때에는 감마(γ)선이 나온다. 그러나 그 감마선의 세기가 너무 작아 블랙홀이 증발하는 현상은 관측할 수 없는 것으로 알려지고 있다.
 

4.블랙홀은 어떻게 발견하나 X선의 비밀

블랙홀은 빛이 빠져 나오지 못하기 때문에 직접 볼 수 없다. 그런데 과학자들은 어떻게 블랙홀이 있는 곳을 알아낼 수 있을까. 그 비법은 X선 관측에 있다.

우주에는 두별이 중력적으로 이어져 서로 공전하는 쌍성이 많다. 우리은하만 하더라도 절반 정도가 쌍성이다. 만약 두별 중 하나가 블랙홀이 된다면 엄청난 중력 때문에 다른 별에 있는 물질들이 블랙홀 쪽으로 흘러들어간다. 이들은 블랙홀을 중심으로 원반형태를 이루기 때문에 ‘유입물질 원반’이라고 한다. 유입물질 원반에서는 먼저 들어온 물질이 나중에 들어온 것보다 빨리 회전하기 때문에 그 마찰로 인해 X선을 방출한다. 그러므로 블랙홀에서 직접 나오는 빛은 볼 수 없지만, 블랙홀을 둘러싼 유입물질 원반에서 나오는 X선을 관찰해 간접적으로 블랙홀이 있다는 것을 짐작할 수 있다.

그러나 X선이 나온다고 할지라도 모두를 블랙홀이라고 볼 수는 없다. 왜냐하면 백색왜성이나 중성자별이 쌍성을 이룰 경우에도 유입물질 원반에서 X선이 나오기 때문이다.

그렇다면 어떻게 블랙홀을 백색왜성과 중성자별로부터 구별해낼 수 있을까. 그것은 원리적으로는 그리 어렵지 않다. 즉 유입물질 원반의 중심에 있는 천체의 질량이 얼마인지를 알아내면 되기 때문이다. 만약 천체의 질량이 태양질량의 3배보다 크다면 블랙홀이라고 결론을 내릴 수 있다. 중성자별은 태양질량의 3배를 넘지 못하기 때문이다.

블랙홀이 있다고 알려진 백조자리 X-1별(HDE 226868)은 X선을 내는 천체다. 별은 혼자서 X선을 낼 수 없기 때문에 주위에 보이지 않는 동반별이 있다는 사실을 알 수 있다. 관측 결과 두별의 공전주기는 6.5일로 동반별의 최소 크기는 태양의 6배가 된다. 결국 백색왜성이나 증성자별은 아니라는 것이다. 백조자리 X-1별은 블랙홀로 밝혀진 최초의 별이다.

HEAO-1이 관측한 X선 천체들

X선은 파장이${10}^{-8}$${-10}^{-10}$m로 가시광선(${10}^{-7}$m)보다 파장이 짧은 전자기파다. 그런데 X선은 지구 대기를 뚫지 못하기 때문에 우주에서 날아오는 X선을 관측하려면 과학로켓이나 인공위성을 쏘아올려야 한다. 결국 X선을 관측해 블랙홀을 확인하는 일도 로켓기술이 발전하기 전까지는 불가능했다.

본격적으로 우주전체를 X선 관측한 것은 1970년 발사된 미국의 우후루위성이 처음이다. 물론 1962년부터 과학로켓을 쏘아올려 X선관측을 했지만, 로켓은 우주공간에 기껏해야 몇 분밖에 머물지 못하기 때문에 하늘 전체를 관측하기엔 역부족이었다. 우후루는 3년 동안 우주공간에 머물면서 백조자리 X-1 등 3백39개의 X선 천체를 발견해냈다. 이후로 지금까지 15개의 X선 관측위성이 블랙홀을 찾아나서 백조자리 V404(태양 질량의 12배), 대마젤란은하 X-1(태양질량의 4배), X-3(태양질량의 10배), 컴파스 X-1, 소마젤란은하 X-1 등의 블랙홀을 찾아냈다.

5.시간여행 블랙홀의 분신 웜홀

아인슈타인이 특수상대성이론을 발표하자 사람들은 마치 과거로 시간여행을 할 수 있는 것으로 생각했다. 이것은 빛의 속도로 날아가면 시간이 느려지기 때문이다. ‘쌍둥이 패러독스’를 따르면 빛의 속도로 우주여행을 한 쌍둥이 형은 지구에 남은 쌍둥이 동생보다 나이를 적게 먹는다. 즉 운동하는 우주선에서는 시간 지연이 일어난다. 하지만 특수상대성이론은 근본적으로 과거로의 시간여행을 뒷받침하진 못한다. 왜냐하면 빛의 속도로 날아갈 수 없기 때문이다.

하지만 블랙홀이론이 등장하면서 과거로의 시간여행이 가능할 수 있다는 희망이 열렸다. 너나없이 SF영화나 SF소설에서는 블랙홀을 등장시켜 시간여행을 시도하면서 블랙홀은 일약 대중적인 관심거리가 됐다. 그렇다면 과거로의 시간여행은 어떻게 가능한 것일까. 그 비밀은 블랙홀의 분신인 웜홀(벌레구멍)이 쥐고 있다. 엄청난 중력을 견딜 수 있는 우주선이 있다면 웜홀을 이용해 미래로의 여행이 가능하다는 얘기다. 이것은 특수상대성이론에서 걸림돌이 됐던 속도, 즉 빛의 속도로 날아가야 한다는 부담을 없앤 것이다.

6.블랙홀에 빠진다면

블랙홀은 흔하지 않기 때문에 쉽게 만날 수가 없다. 다시 말해 블랙홀에 빠질 확률은 ‘0’에 가깝다. 하지만 앞으로 먼 미래에는 우주여행이 가능할 때가 온다면 우연히 블랙홀에 빠질 수 있지 않을까. 블랙홀에 빠진다면 어떤 일이 일어날까.

●블랙홀에 빠지면 몸이 마치 스파게티처럼 늘어난다. 좀더 구체적으로 말하면 블랙홀을 바라보는 쪽이 더 길게 늘어난다. 머리가 먼저 빠져들었다면 다리보다 머리가 더 길어지는 셈이다. 그 결과 블랙홀에 빠져들수록 몸은 더 길어지고 가늘어진다. 이 말은 몸이 국수처럼 가늘어져 결국 찢어지는 것을 뜻한다.

그러나 질량이 큰 블랙홀에서는 이야기가 달라진다. 질량이 클수록 중력에 의한 왜곡이 작아지기 때문이다. 따라서 태양질량의 1천만배에 달하는 블랙홀에 빠져들면 우주비행사의 몸은 약간만 늘어날 뿐이다. 결국 죽는 일은 없다. 우리 은하의 중심에 있는 블랙홀은 태양질량의 약 2백만배이고, 안드로메다은하 중심에 있는 블랙홀은 태양질량의 약 3천만배이다. 그러므로 그곳에 가더라도 죽는 일은 없지 않을까. 물론 밀도가 낮은 블랙홀 표면에서의 이야기다.

1. 우주선에서 빠져나온 비행사가 블랙홀에 빠지는 순간
공간은 평평하다. 우주선의 벽시계와 비행사가 찬 손목시계의 시간이 일치한다. 손목시계와 벽시계는 모두 12시 10분. 비행사로부터 나온 빛(비행사의 모습)에는 아무런 변화가 없다.

● 처음 몇 분 동안은 아무런 일이 일어나지 않는다. 우주선 안에서 망원경으로 비행사의 손목시계를 바라보면 우주선에 걸려 있는 벽시계와 시간이 일치한다.

2. 블랙홀 쪽으로 좀더 빠져들면
블랙홀 안쪽으로 공간이 조금 휘기 시작한다. 중력의 영향을 받아 손목시계 시간이 벽시계의 시간보다 느려진다. 손목시계는 12시 17분, 벽시계는 12시 20분. 비행사로부터 나온 빛의 파장이 길어지고, 비행사는 붉은색을 띤다.

●비행사가 사건의 지평선에 접근하면 중력이 다리보다 머리를 더 세게 잡아당긴다. 이 때문에 비행사의 몸은 길어진다. 비행사의 손목시계는 정상이지만 우주선에서 볼 때 시간이 느려진다. 블랙홀의 강한 중력이 시간과 공간을 휘게 한 까닭이다. 우주비행사의 모습은 빛이 중력 때문에 에너지를 잃기 때문에 붉게 변하는 것을 볼 수 있다.

3. 사건의 지평선에 도달하면
사건의 지평선에서 공간은 모양을 잃는다. 사건의 지평선에서는 시간이 멈춘다. 손목시계의 시간은 12시 20분, 벽시계는 12시 30분. 비행사로부터 나온 빛의 파장이 더욱 길어지고, 비행사는 더욱 붉어지지만 에너지를 잃기 때문에 희미해진다.

●사건의 지평선에 도달하면 길어진 비행사는 거의 보이지 않는다. 그러나 우주선에서는 비행사가 블랙홀로 떨어지는 것을 볼 수가 없다. 왜냐하면 블랙홀 근처에서는 시간이 매우 느리게 흐르기 때문에 비행사가 사건의 지평선을 지나는 것을 볼 수 없다. 또 무한한 시간 때문에 비행사는 마치 공중에 정지해 있는 것처럼 보인다.