태양 질량의 8배가 넘는 별이 연료를 모두 소진하면 핵이 붕괴하고 반동하여 초신성 폭발을 일으킨다. 폭발 후 남는 것은 폭발 전 별의 질량에 따라 달라진다. 질량이 임계점(태양 질량의 1.44배 초과)에 가까웠다면 도시 크기의 초고밀도 중성자별이 생성되고, 태양 질량의 약 20배 이상이었다면 별의 핵이 붕괴하여 항성 질량의 블랙홀이 된다.
지금까지 관측된 항성질량 블랙홀의 거의 대부분은 별과 쌍을 이룬 상태에서 발견되었다. 이들은 대개 질량이 서로 다른 두 별로 이루어진 쌍성계에서 기원했을 가능성이 크다. 더 무거운 별이 빠르게 진화하여 블랙홀로 붕괴한 뒤, 상대적으로 가벼운 별과 함께 남는 것이다. 이러한 쌍성계 관측을 통해, 우리 은하에서는 약 50개 정도의 항성질량 블랙홀이 확인되었거나 후보로 제시되었다.
그러나 천문학자들은 실제로는 우리 은하에만 최대 1억 개에 이르는 항성질량 블랙홀이 존재할 가능성이 높다고 판단한다. 이는 관측 가능한 경우가 극히 일부에 불과하며, 대부분의 블랙홀이 고요하게 어둠 속에 숨어 있기 때문이다.
검게 보이는 구체는 사건의 지평선이 드리운 '블랙홀의 그림자'이며, 실제 사건의 지평선1) 은 이 어둠의 중심부 안쪽(지름의 약 40% 영역)에 숨겨져 시공간의 절대적 경계를 긋고 있다.
(이미지 출처: NASA’s Goddard Space Flight Center; background, NASA/JPL-Caltech/UCLA)
블랙홀의 일생
로벨리는 자신의 저서 『화이트홀』에서 블랙홀의 일생에 대해 묘사하고 있다.(카를로 로벨리, 『화이트홀』, 김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2024, 175~181페이지) 다음은 내가 나름의 관점으로 요약한 내용이다.
거대한 수소 구름은 자체 중력에 이끌려 밀도를 높이며 수축한다. 이 과정에서 수소는 가열되고 핵융합을 시작해 별이 된다. 별 내부에서는 수소가 헬륨과 더 무거운 원소로 변하며 수십억 년 동안 에너지를 방출한다. 그러나 핵융합 연료가 고갈되면 별은 더 이상 중력을 지탱하지 못하고 붕괴한다. 이 붕괴의 극단적 결과가 블랙홀2)이다. 블랙홀 내부는 극도로 압축된 시공간으로, 고전적 물리학의 한계를 넘어서는 영역이다.
양자중력 이론에 따르면, 블랙홀 내부에서 물질은 무한히 압축되지 않는다. 플랑크 길이와 플랑크 밀도에 이르면 시공간의 양자적 구조가 작동하여 붕괴를 멈춘다. 이 상태를 플랑크 별이라 부른다. 플랑크 별은 내부 압력에 의해 ‘바운스’를 일으키며, 시공간의 기하학적 구조가 양자도약을 통해 재배열된다. 이 과정에서 블랙홀은 화이트홀로 전환될 수 있다. 전이 → 반등 → 도약의 3단계를 거친다. 화이트홀은 시간이 역전된 블랙홀이다. 물질과 정보가 밖으로 방출되는 구조를 가진다.
이 전환은 단순한 국소적 사건이 아니다. 이는 이전 우주의 붕괴가 새로운 빅뱅으로 이어졌을 가능성과 구조적으로 유사한 과정이다. 즉, 블랙홀–화이트홀 전환은 우주적 규모에서 반복될 수 있는 시공간 '순환'의 한 형태이다.
화이트홀의 핵심적 특징은 시간의 비대칭성이다. 외부 관측자의 기준에서 블랙홀의 증발과 화이트홀의 소멸에는 수십억 년 이상의 시간이 필요하다. 이는 호킹 복사에 의해 블랙홀이 천천히 에너지를 잃기 때문이다. 반면, 블랙홀 내부로 낙하하는 관측자의 고유시간에서는 이 모든 과정이 매우 짧게, 거의 순식간에 일어난다. 내부에서는 양자 영역에 빠르게 도달하고, 곧바로 화이트홀을 통해 빠져나온다. 그 결과 내부 관측자는 외부 기준으로는 극히 먼 미래에 도달하게 된다.
이처럼 중력은 시간을 균등하게 흐르게 하지 않는다. 블랙홀과 화이트홀의 전체 생애는 내부 관점에서는 짧은 사건이지만, 외부 관점에서는 우주의 장구한 시간과 맞먹는다. 이는 시간의 절대성을 전제로 한 직관이 중력 앞에서 붕괴함을 보여준다. 플랑크 별의 반동은 미래로 향하는 지름길과 같으며, 극단적 중력 환경에서 시간은 하나의 단일한 흐름이 아니라 관점에 따라 분기한다.
그러나 이 과정 역시 열역학의 법칙을 벗어나지 않는다. 블랙홀과 화이트홀의 진화는 집중된 자유에너지가 분산되는 과정이며, 전체적으로는 엔트로피 증가의 한 단계다. 화이트홀은 우리의 시간 감각을 뒤흔들지만, 동시에 우주가 평형을 향해 나아가는 거대한 흐름의 일부임을 드러낸다.
외부에서 관측되는 화이트홀은 매우 작고 안정적인 물체다. 미세한 에너지를 약하게 방출할 뿐이며, 중력적으로는 평범한 작은 질량 덩어리처럼 행동한다. 그 질량은 플랑크 질량보다 작을 수 없다. 시공간이 입자성을 가지기 때문에 플랑크 영역보다 작은 구조는 존재할 수 없기 때문이다. 플랑크 질량은 대략 작은 털 한 올의 질량에 해당하며, 화이트홀은 우주 공간을 떠다니는 보이지 않는 미세한 존재가 된다.
이러한 화이트홀은 전하를 띠지 않으므로 빛과 거의 상호작용하지 않는다. 아주 약한 중력만 가지고 있을 뿐이다.
원시우주나 빅뱅 이전의 우주에서 많은 블랙홀이 형성되었고, 만약 증발했다면, 지금 이 순간에도 보이지 않는 몇 분의 일 그램의 알갱이들이 수백만 개씩 하늘에 떠다니고 있을 가능성이 있다.
1933년 수백만 명의 미국인들이 하늘에서 휘파람 소리를 들었지만 아무도 그것이 블랙홀이었다는 것을 알지 못했다. 천문학자들은 중력을 통해서만 그 모습을 드러내는 신비한 보이지 않는 먼지가 우주에 가득 차 있다는 사실을 오래전부터 관찰해왔다. 이를 ‘암흑 물질’이라고 부른다.
암흑 물질의 일부는 어쩌면 수십억 개의 작고 섬세한 화이트홀로 이루어져 있을 수도 있다. 블랙홀의 시간을 거꾸로 돌리고, 잠자리들처럼 우주를 가볍게 떠다닐 화이트홀 말이다.
어둠 속에 웅크린 빛
별의 죽음은 끝이 아니라, 가장 긴 기다림이다
"별이 죽으면 빛조차 탈출할 수 없는 영원한 감옥이 된다." 우리는 교과서에서 블랙홀을 이렇게 배웠습니다. 거대한 입을 벌리고 우주의 모든 것을 삼키는 괴물, 한 번 들어가면 영원히 나올 수 없는 심연. 이것이 우리가 알고 있는 상식입니다.
하지만 현대 물리학의 최전선에서 이 명제는 흔들리고 있습니다. 만약 블랙홀이 끝이 없는 추락이 아니라, 도약을 위해 잠시 멈춰 선 시간이라면 어떨까요?
일반상대성이론은 블랙홀의 중심에 부피가 '0'이고 밀도가 무한대인 '특이점'이 존재한다고 예언합니다. 그러나 양자역학은 "자연계에 무한히 작은 점은 존재할 수 없다"고 반박합니다. 이 두 거대한 이론이 충돌하는 지점에서, 로벨리는 말합니다.
"블랙홀은 에너지를 잃고 사라지는 것이 아니라, 다시 튀어 오르기 위해 웅크리고 있는 중이다."
우리가 밤하늘에서 보는 그 검은 구멍은, 사실 영원한 죽음이 아니라 우주 역사상 가장 긴 찰나를 견디고 있는 '변신의 과정'일지도 모릅니다.
쏟아지는 공간의 폭포, 그리고 멈춰버린 연어
블랙홀을 이해하기 위해 우리는 잠시 딱딱한 물리학 공식을 내려놓고, 거대한 강물을 상상해 볼 필요가 있습니다.
일반상대성이론에서 중력은 단순히 잡아당기는 힘이 아닙니다. 그것은 공간 자체가 휘어지고 흐르는 현상입니다. 물리학자들은 이를 설명하기 위해 종종 '강물 모형(River Model)'3)을 사용합니다.
우주라는 공간을 호수처럼 정지해 있는 물이 아니라, 블랙홀이라는 깔때기를 향해 끊임없이 흘러가는 '강물'이라고 상상해 보십시오. 블랙홀에 가까워질수록 이 '공간의 강물'은 점점 더 빠르게 흐릅니다. 그리고 빛(광자)은 이 흐름을 거슬러 상류로 헤엄치려는 '연어'와 같습니다.
강물(공간)의 유속이 점차 빨라지다가, 마침내 연어(빛)가 헤엄치는 속도와 정확히 똑같아지는 지점이 나타납니다. 이곳이 바로 '폭포의 절벽 끝', 즉 사건 지평선입니다.
이 지점에서 기이한 현상이 벌어집니다. 연어는 죽을힘을 다해 상류(바깥세상)로 헤엄치지만, 강물이 쏟아지는 속도가 너무 빨라 제자리에 멈춰 서 있는 것처럼 보입니다. 앞으로 나아가지도, 뒤로 밀리지도 못한 채 절벽 끝에 얼어붙은 것입니다.
강가(블랙홀 외부)에서 이 장면을 지켜보는 우리에게, 그 연어는 영원히 절벽 끝에 매달려 있는 것처럼 보입니다. 이것이 바로 블랙홀 경계에서 '시간이 멈춘다'는 것의 의미입니다. 공간이 빛의 속도로 빨려 들어가기 때문에, 그 흐름을 거슬러 우리에게 오려던 빛(정보)은 그 자리에 박제되어 버립니다.
내부의 시간은 맹렬히 흐르며 폭포 아래로 떨어지는데, 외부의 우리는 그 찰나의 추락 직전 모습을 영원히 보고 있는 셈입니다. 우리가 보는 블랙홀은 바로 이 '멈춰버린 폭포의 사진'과 같습니다.
어둠 속에 웅크린 빛을 바라보며
우리는 흔히 블랙홀을 '모든 것을 삼키는 영원한 감옥'이라고 생각합니다. 하지만 카를로 로벨리의 양자 중력 이론과 시간 지연의 마법을 이해하고 나면, 밤하늘의 어둠은 전혀 다른 의미로 다가옵니다.
"우리는 블랙홀과 화이트홀을 동시에 보고 있는 것"입니다.
우리의 시간은 중력에 붙잡혀 느리게 흐르는 탓에, 저 먼 우주의 별이 무너져 내리는 '과거의 잔상(블랙홀)'만을 보고 있습니다. 하지만 그 칠흑 같은 사건 지평선 너머, 별의 시간 속에서는 이미 수축을 끝내고 다시 튀어 오르는 '미래의 폭발(화이트홀)'이 시작되었습니다.
즉, 우리가 보고 있는 검은 구멍은 죽음의 끝이 아닙니다. 그것은 엄청난 빛과 정보를 품고 다시 태어나기 위해 잠시 숨을 고르고 있는, 우주에서 가장 긴 찰나의 순간입니다.
마치 겉으로는 딱딱하고 정지해 보이지만 그 속에서는 이미 거대한 생명력을 틔우고 있는 씨앗처럼, 블랙홀은 '아직 우리에게 도착하지 않은 화이트홀'의 또 다른 이름일 뿐입니다.
그러니 밤하늘의 깊은 어둠을 볼 때 두려워할 필요는 없습니다. 그 어둠은 빛의 부재가 아니라, 언젠가 우리에게 쏟아질 눈부신 미래가 웅크리고 있는 변곡점이기 때문입니다. 우주는 그렇게, 어둠 속에서도 끊임없이 빛을 준비하고 있습니다.
우리가 보는 어둠은, 껍질을 깨고 나오기 직전의 빛입니다.
그 어둠이, 그리고 그 빛이 세상의 만물을 만들었습니다.
(끝)
© 이것으로 로벨리 물리학을 탐험한 동심헌(童心軒)의 긴 여정을 마무리합니다. 사건의 지평선 너머로 사라진 듯했던 23편의 기록들은 이제 블랙홀의 특이점에 닿아 양자적 반동(bounce)을 준비합니다. 로벨리가 설파했듯 정보는 사라지지 않으며, 특이점은 끝이 아닌 새로운 도약의 변곡점일 뿐입니다.
거시 세계가 드리운 '무지함과 희미함'의 안개 탓에 우리는 여전히 양자영역의 미시적 심연을 온전히 엿보지 못합니다. 그러므로 이제 시공간의 기하학적 재배열을 거쳐 다시 1편의 시작점으로 되돌아갑니다. 우리는 다시 과학적 사유의 순환 궤도에 진입해야 합니다.
이전 글 👉 ㉒ 시간 없는 세상의 양자 도약
"이 연재는 로벨리 물리학을 소개하는 동심헌(童心軒)의 기획 시리즈입니다."
🔖 주(註)
1) 사건의 지평선은 중력이 빛의 탈출 의지를 꺾어버리는 시공간의 절대적인 경계선이다. 이미지에서 우리가 보는 검은 원(블랙홀의 그림자)의 지름을 10 이라고 가정한다면, 실제 사건의 지평선은 그 중심부에서 지름 4 정도의 크기로 존재한다. 이 지점을 넘어서는 순간, 우주에서 가장 빠른 존재인 빛조차도 중력의 구속을 이겨내지 못하고 중심 특이점(Singularity)을 향해 영원히 추락하게 된다.
이미지 속의 검은 영역이 실제 지평선보다 더 넓게 보이는 이유는 블랙홀이 주변을 지나는 빛까지 휘감아 삼켜버리기 때문이다. 사건의 지평선 근처를 지나는 빛(광자)들은 극도로 휘어진 시공간을 따라 궤도를 돌다가 결국 흡수되거나 튕겨 나간다. 따라서 관측자인 우리는 실제 구멍의 크기보다 약 2.6배 더 확장된 '빛이 소멸한 영역', 즉 거대한 그림자를 보게 되는 것이다.
결국, 이미지 속 사건의 지평선은 화려하게 빛나는 강착원반과 왜곡된 별빛의 소용돌이 속에서 유일하게 침묵하고 있는 고립된 영역이다. 그것은 외부 우주와 내부의 시공간을 영원히 격리하는 단절의 벽이며, 우리가 결코 들여다볼 수 없는 우주의 비밀을 품고 있는 검은 심장이라 할 수 있다.
https://www.eso.org/public/news/eso1907/
https://science.nasa.gov/universe/black-holes/anatomy/↩
2) 블랙홀의 탄생
별의 일생은 중력과의 끝없는 전쟁이다. 별이 빛나는 동안은 핵융합이라는 폭발적인 에너지가 중력을 밀어내며 균형을 이룬다. 하지만 연료가 다 타버린 별은 필연적으로 수축하기 시작한다. 이때, 별이 완전히 붕괴하여 어둠의 심연(블랙홀)으로 떨어지지 않도록 버티는 ‘첫 번째 저항선’이 있다. 바로 전자 축퇴압(Electron Degeneracy Pressure)이다.
별이 붕괴하며 밀도가 극한으로 치솟으면, 원자 내의 전자들은 갈 곳을 잃고 서로 밀착하게 된다. 이때 일반적인 전자기적 반발력(같은 극끼리 밀어내는 힘)보다 훨씬 강력한 양자역학적 힘이 발생한다. 이것이 바로 전자 축퇴압이다. 이 힘의 근원은 파울리 배타 원리에 있다.
"우주의 어떤 두 페르미온(전자)도 동시에 같은 양자 상태에 있을 수 없다."
쉽게 비유하자면, 만원 지하철(별의 내부)에 사람들이 꽉 차 있는 상황과 같다. 아무리 밖에서 더 많은 사람을 밀어 넣으려 해도(중력), 이미 자리를 차지한 사람들은 물리적으로 겹쳐질 수 없기에 거대한 압력으로 버티게 된다. 이 힘 덕분에 태양 정도 질량의 별은 붕괴를 멈추고 백색왜성이라는 단단한 별로 생을 마감할 수 있다.
하지만 우주는 때로 잔혹하다. 만약 죽어가는 별의 질량이 태양의 약 1.44배(찬드라세카 한계)를 넘어서면, 중력은 전자 축퇴압이 감당할 수 있는 수준을 초과한다.
이 임계점을 넘는 순간, 전자가 형성한 '양자역학적 벽'은 무참히 깨진다. 강력한 중력은 전자를 원자핵 속의 양성자로 구겨 넣어버린다. 전자와 양성자가 합쳐져 중성자가 되어버리는 것이다. 전자의 저항이 실패로 돌아가면서 별은 더욱 작게 수축하여 중성자별이 된다.
블랙홀은 이 모든 저항이 실패했을 때 탄생하는 존재이다.
전자의 저항(전자 축퇴압)이 무너지고, 그다음 단계인 중성자의 저항(중성자 축퇴압)마저도 별의 질량이 너무 클 경우(태양 질량의 약 3배 이상) 견디지 못하고 무너진다.
결국 블랙홀이 생성되었다는 것은, "물질이 자신의 형태를 유지하려는 우주의 근본적인 힘(축퇴압)들이 중력 앞에서 모두 패배했음"을 의미한다. 전자가 버티지 못해 붕괴했기에, 블랙홀 내부는 더 이상 우리가 아는 물질의 상태가 아닌, 부피가 '0'에 수렴하고 밀도가 무한대인 특이점(Singularity)만이 남게 되는 것이다. https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_degeneracy_pressure↩
3) 앤드류 해밀턴(Andrew Hamilton)과 제이슨 리슬(Jason Lisle)이 발표한 「블랙홀의 강물 모형 (The River Model of Black Holes, 2008)」 논문은 블랙홀 주변의 시공간 기하학을 '흐르는 유체'로 해석하여 사건 지평선을 설명한다.
https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0411060↩