블랙홀이 옆에 있는 푸른 별의 물질을 끌어당기는 모습을 나타낸 가상 이미지. NASA 제공

‘검은 구멍(black hole)’라는 뜻을 가진 ‘블랙홀’은 주변에 있는 물체를 모두 빨아들이는 천체를 말해요. 블랙홀은 다른 물체를 끌어당기는 힘인 ‘중력’이 매우 강해 물체를 빨아들일 수 있지요. 과학자들은 이런 블랙홀이 우주 곳곳에 존재한다고 추정해요.

미국 항공우주국(NASA·나사)은 태양 질량의 10만 배에서 600억 배 이상에 달하는 초대형 블랙홀의 크기를 태양과 비교한 애니메이션을 최근 공개했어요. 애니메이션에선 10개의 초대형 블랙홀들이 등장하는데, 태양과 비교했을 때 블랙홀의 크기가 어느 정도 되는지를 가늠해볼 수 있지요. 나사는 “허블우주망원경의 도움을 받아 측정한 결과 100개 이상의 초대형 블랙홀이 존재하는 것으로 추정됐다”고 밝혔지요. 과학자들이 블랙홀에 주목하는 이유는 무엇일까요?

별이 소멸하는 과정에서 탄생

블랙홀의 가상 이미지. 검은 원 밖의 흑색 고리가 사건의 지평선을 나타낸다

우주에서 가장 빠른 건 빛. 이런 빛조차 빠져나가지 못할 정도로 세게 끌어당기는 힘을 가진 천체가 블랙홀이에요. 블랙홀에서 빠져나가려면 천체의 표면에서 탈출하는 속력이 블랙홀의 중력보다 커야 해요. 그런데 빛의 속력보다 블랙홀의 중력이 더 강력해 빛도 블랙홀을 빠져나가지 못하는 것. 빛조차 빨아들이다보니 천체가 검은색으로 보여 ‘블랙홀’이라 불리는 것이지요.

강한 중력을 가진 블랙홀의 경계를 ‘사건의 지평선’이라고 해요. 어떤 것도 이 경계 밖으로 나갈 수 없도록 하는 막 같은 존재지요. 사건의 지평선 밖은 우리가 사는 곳과 비슷한 시간과 공간으로 이뤄져있지만, 사건의 지평선 안은 중력이 매우 강해서 시간과 공간이 뒤바뀐다고 과학자들은 추정해요. 이 때문에 각종 공상과학(SF) 영화 등에서 블랙홀로 끌려간 인물이 ‘시간 여행’을 경험하는 모습이 그려지는 거죠.

신비한 천체인 블랙홀은 어떻게 만들어지는 걸까요? NASA에 따르면 일반적으로 블랙홀은 거대한 별이 수명이 다할 때 생겨나요. 별은 영원히 존재하는 것이 아니라 생성과 소멸(사라져 없어짐)하는 과정을 거치는데, 큰 별이 소멸하는 과정에선 이 별에서 만들어진 물질을 모두 뿜어내며 폭발해요. 이 때 별의 크기가 크게 줄어들게 되고, 수축(부피나 규모가 줄어듦)의 정도가 심해지면 밀도가 높아져 극단적인 중력을 가진 블랙홀이 되는 것입니다.

우주 탄생의 실마리 주는 블랙홀

2019년 첫 번째로 촬영된 블랙홀의 모습

블랙홀은 지구와의 거리가 멀리 떨어진 곳에 있는 데다 스스로 빛을 내지 않아 관찰하기 매우 어려워요. 그래서 블랙홀 주변 물질들의 변화를 통해 그 크기와 위치를 추정하지요.

인류가 블랙홀의 관측에 성공한 것도 비교적 최근인 2019년이 처음이에요. 독일 출신의 미국 물리학자인 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)은 1915년 질량을 가진 천체가 주변의 시공간을 휘어지게 하고, 빛은 중력의 영향을 받는다는 일반 상대성이론을 주장했는데, 이후 100년이 지난 뒤에야 관측에 성공한 셈이지요.

우리나라를 포함해 세계의 연구기관 소속 과학자들이 참여한 ‘사건의 지평선 망원경(EHT)’ 국제공동연구팀은 전파망원경(천체에서 나오는 전파를 관측하는 장치)을 통해 ‘M87’이라는 블랙홀의 실제 모습을 관측해 발표했어요. M87은 지구로부터 약 5400만 광년 떨어진 곳에 존재해요. 연구진은 당시 블랙홀이 주변의 별을 끌어당길 때 빨려 들어가는 물질들이 내뿜는 X선을 포착해 블랙홀의 윤곽을 확인했어요. 공개된 블랙홀의 모습은 중간이 뚫린 주황색 고리 형태라 ‘흐릿한 오렌지색 도넛’이라는 수식이 붙기도 했죠.

과학자들은 현재도 블랙홀을 관측하기 위해 적극적으로 연구하고 있어요. 무엇이든 쑥쑥 빨아들이는 블랙홀을 직접 자세히 들여다볼 수 있다면, 별의 폭발은 물론 초기 우주의 형성을 파악하는 데도 도움이 되거든요. 또 우주의 시공간에 대한 연구도 활발히 이뤄질 수 있어요. ​

▶어린이동아 권세희 기자 ksh0710@donga.com

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