블랙홀: 시간이 멈추는 곳, 정보가 사라지는 곳

아무것도 탈출할 수 없는 곳

블랙홀은 중력이 너무 강해서 빛조차 탈출하지 못하는 천체입니다. ‘검다’는 것은 빛을 방출하지 않는다는 뜻이고, ‘구멍’이라는 것은 공간이 극도로 휘어진 영역이라는 뜻입니다.

블랙홀의 경계선을 **사건 지평선(Event Horizon)**이라 합니다. 이 선을 넘어가면 절대로 돌아올 수 없습니다. 빛도, 정보도, 그 무엇도.

블랙홀에 가까이 가면 시간이 느려진다

일반 상대성이론에 따르면, 중력이 강할수록 시간이 느리게 흐릅니다. 블랙홀 가장자리에서 이 효과는 극적으로 나타납니다.

당신이 블랙홀을 향해 떨어지고 있다고 상상해보세요. 멀리서 지켜보는 사람의 눈에는 당신이 점점 느려지다가 사건 지평선 바로 앞에서 영원히 정지한 것처럼 보입니다. 시간이 무한히 늘어나기 때문입니다.

하지만 당신의 관점에서는? 아무 이상도 느끼지 못한 채 사건 지평선을 통과합니다. 그 이후에는 특이점(singularity)을 향해 불가역적으로 떨어질 뿐입니다.

스파게티화(Spaghettification): 블랙홀 가까이에서 발과 머리에 작용하는 중력의 차이가 너무 커서 몸이 국수처럼 길게 늘어납니다. 소형 블랙홀일수록 이 조석력이 더 강합니다.

블랙홀은 어떻게 생기나

항성 질량 블랙홀

태양보다 20배 이상 무거운 별이 수명을 다하면 초신성 폭발을 일으키고, 그 잔해가 중력 붕괴하여 블랙홀이 됩니다. 우리 은하에만 수천만 개가 있는 것으로 추정됩니다.

초대질량 블랙홀

거의 모든 은하 중심에 태양 질량의 수백만~수십억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 있습니다. 우리 은하 중심의 블랙홀 궁수자리 A*는 태양 질량의 약 400만 배입니다.

호킹 복사: 블랙홀도 죽는다

1974년 스티븐 호킹은 블랙홀이 아주 천천히 에너지를 방출한다는 것을 이론적으로 증명했습니다. **호킹 복사(Hawking Radiation)**입니다.

양자역학에 따르면 진공에서도 입자-반입자 쌍이 끊임없이 생성·소멸합니다. 사건 지평선 바로 바깥에서 이 쌍이 생성될 때, 하나는 블랙홀 안으로 빨려 들어가고 하나는 바깥으로 탈출합니다. 블랙홀은 에너지를 잃고, 극도로 긴 시간에 걸쳐 증발합니다.

태양 질량 블랙홀이 완전히 증발하는 데 걸리는 시간: 10⁶⁷년 (현재 우주 나이의 10⁵⁷배).

정보 역설: 아직 풀리지 않은 문제

호킹 복사는 새로운 문제를 낳았습니다. 블랙홀이 증발하면, 그 안에 삼켜진 정보(물체의 상태, 구조)는 어디로 가는가?

양자역학의 근본 원리에 따르면 정보는 절대 소멸하지 않습니다. 하지만 호킹의 이론은 블랙홀 증발과 함께 정보가 사라짐을 시사했습니다. 이것이 블랙홀 정보 역설입니다.

호킹은 말년에 정보가 실제로 소멸한다는 주장에서 물러섰지만, 정보가 ‘어떻게’ 보존되는지는 21세기 물리학의 최대 미해결 문제 중 하나입니다.

드디어 찍은 블랙홀 사진

2019년 4월, 인류 역사상 최초로 블랙홀의 사진이 공개되었습니다. 지구 크기의 가상 망원경 네트워크 EHT(Event Horizon Telescope)가 촬영한 M87 은하 중심 블랙홀입니다. 태양보다 65억 배 무거운 이 블랙홀은 밝게 빛나는 강착원반에 둘러싸인 어두운 그림자로 나타났습니다.

2022년에는 우리 은하 중심 궁수자리 A*의 사진도 공개되었습니다. 아인슈타인의 일반 상대성이론이 또 한 번 정확하게 검증되었습니다.