블랙홀은 얼마나 무거울까?

보이지 않는 블랙홀의 몸무게를 잰다고요?

우주에서 가장 신비로운 천체를 꼽으라면 많은 사람이 블랙홀을 떠올릴 거예요. 블랙홀은 끌어당기는 힘인 중력이 너무나 강해서, 우주에서 가장 빠른 빛조차 한 번 들어가면 빠져나오지 못하는 곳이에요. 빛이 나오지 않으니 우리 눈에는 그저 깜깜하게만 보이지요.

그런데 과학자들은 보이지도 않고 직접 저울에 올려놓을 수도 없는 블랙홀의 무게(질량)를 어떻게 알아냈을까요? 비결은 블랙홀 주변을 도는 별이나 가스의 움직임을 관찰하는 거예요. 지구가 태양의 중력에 이끌려 공전하듯, 블랙홀 주변의 별들도 블랙홀의 중력에 붙잡혀 빙글빙글 돌고 있어요. 주변 별들이 얼마나 빠른 속도로, 얼마나 가까이서 도는지 계산하면 그 중심에 있는 블랙홀의 무게를 정확히 알아낼 수 있답니다.

태양 몇 개 무게부터 수십억 개 무게까지

과학자들이 우주 곳곳의 블랙홀 무게를 재어 보니, 블랙홀은 크게 두 종류로 나뉘었어요. 첫 번째는 별질량 블랙홀이에요. 태양보다 훨씬 무거운 거대한 별이 수명을 다하고 폭발한 뒤, 남은 중심부가 스스로의 중력 때문에 한없이 오그라들어 만들어져요. 이런 블랙홀은 보통 태양 무게의 약 3배에서 수십 배 정도예요. 태양 하나도 지구의 약 33만 배나 무거운데, 그런 태양이 열 개쯤 뭉쳐 서울만 한 크기로 압축되어 있다고 상상해 보세요.

두 번째는 상상을 초월하는 초대질량 블랙홀이에요. 대다수 은하의 한가운데에 자리 잡고 있는 거인들로, 무게가 태양의 수십만 배에서 수백억 배에 이르러요. 만약 태양을 1그램짜리 클립 하나라고 친다면, 초대질량 블랙홀은 수톤에서 수만 톤짜리 거대한 화물선이나 다름없어요. 이렇게 거대한 블랙홀이 우주 초기에 어떻게 만들어지고 자라났는지는 과학자들도 아직 정확한 답을 찾고 있는 수수께끼예요.

우리 은하 중심의 거인, 궁수자리 A*

우리가 사는 우리 은하의 한가운데에도 초대질량 블랙홀이 있어요. 궁수자리 방향에 있어서 *궁수자리 A(에이 스타)**라고 부르지요. 지구에서 약 2만 6천 광년 떨어져 있는 이 블랙홀은 과연 얼마나 무거울까요?

독일의 라인하르트 겐젤 교수와 미국의 안드레아 게즈 교수 연구팀은 무려 20년이 넘는 세월 동안 거대한 망원경으로 우리 은하 중심부를 끈질기게 관찰했어요. 그리고 보이지 않는 중심점 둘레를 엄청난 속도로 휙휙 돌아가는 별들의 궤도를 정밀하게 그려냈지요. 그 결과, 그 중심에 태양 질량의 약 400만 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 숨어 있다는 사실을 증명했어요. 두 과학자는 이 놀라운 업적으로 2020년 노벨 물리학상을 받았답니다.

인류가 찍은 블랙홀의 첫 증명사진

주변 별의 움직임으로 무게만 재던 인류는 마침내 블랙홀의 모습을 직접 사진으로 찍는 데도 성공했어요. 블랙홀 자체는 빛이 안 나와서 찍을 수 없지만, 빛조차 빨려 들어가 돌아오지 못하는 경계선인 사건의 지평선 바깥에서 밝게 빛나며 소용돌이치는 가스의 모습은 포착할 수 있거든요.

전 세계 과학자 200여 명은 지구 곳곳에 있는 전파망원경 여러 대를 하나로 연결해 지구 크기만 한 가상의 망원경인 사건지평선망원경(EHT)을 만들었어요. 그리고 2019년, 처녀자리 은하단의 중심 은하인 M87의 중심 블랙홀 모습을 인류 최초로 공개했지요. 도넛 모양의 붉은 빛 고리 한가운데 뚫려 있는 검은 그림자가 바로 블랙홀이었어요. 이 M87 블랙홀의 무게는 무려 태양의 약 65억 배에 달해요. 이어서 2022년에는 우리 은하 중심의 궁수자리 A* 블랙홀 사진까지 찍는 데 성공했답니다.

한 줄로 정리하면

블랙홀은 큰 별이 죽어서 남긴 태양 수십 배 무게의 별질량 블랙홀부터, 은하 중심에서 태양 수백만~수백억 개 무게를 자랑하는 초대질량 블랙홀까지 그 무게가 어마어마하게 다양해요.