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블랙홀의 경계에서 일어나는 일

Miqo 편집팀 · 출처 1개

경계는 정확히 어디일까

지평선은 중심에서 탈출 속도가 빛의 속도와 같아지는 거리예요. 그보다 가까운 곳에서는 아무것도 밖으로 나올 수 없어요 - 무언가가 신호를 붙잡아서가 아니라 그곳의 모든 궤적이 안쪽으로 향하기 때문이죠. 경계 자체에는 물질이 없어요. 텅 빈 공간의 순수한 기하학일 뿐이에요.

지평선의 반지름은 질량으로 결정되며 질량에 비례해 커져요. 지구를 블랙홀로 압축하면 경계는 체리 크기의 구가 돼요. 태양이라면 반지름 약 3 km인 구가 되죠. 우리 은하 중심의 궁수자리 A*는 태양 질량의 약 4백만 배인데, 지평선이 12백만 km까지 뻗어 있어요.

9밀리미터블랙홀로 압축한 지구
3킬로미터그 자리에 있는 태양
12백만 km우리 은하 중심의 블랙홀

이 경계에는 국소적인 징후가 없어요. 추락하는 우주선의 장비도 아무것도 감지하지 못하죠. 또 주변 한 곳만 보고는 지평선의 위치를 계산할 수 없어요. 블랙홀의 미래 전체에 달려 있기 때문이에요. 1년 뒤 가스 구름이 그 안으로 떨어진다면, 지평선은 미리 팽창하기 시작해요.

떨어지는 사람은 왜 통과를 느끼지 못할까

위험한 건 경계 자체가 아니라 중력의 차이예요. 발은 머리보다 더 강하게 끌려 몸이 늘어나죠. 지평선에서 이 차이는 블랙홀의 질량이 클수록 약해져요. 항성 질량 블랙홀 근처에서는 지평선에 닿기 수백 km 전부터 사람이 찢어졌을 거예요. 초대질량 블랙홀에서는 경계에서의 늘어남이 너무 미미해서 느끼지 못해요 - 찢어지는 일은 나중에, 훨씬 깊은 내부에서 일어나죠.

초대질량 블랙홀로 떨어질 때 경계 통과가 얼마나 느껴지는지.

그래도 모든 것이 달라져요. 지평선 너머에서는 '바깥쪽'이 공간의 방향이기를 멈추고 시간의 방향이 돼요. 그곳에서 중심에서 멀어지는 건 여기서 어제로 갈 수 없는 것과 똑같이 불가능해요. 뒤로 보낸 신호도 결국 더 깊은 곳으로 향하죠.

바깥에서는 무엇이 보일까

바깥에서 보면 양상이 반대예요. 물체가 지평선에 가까워질수록 먼 관찰자에게 그 물체의 시계는 더 느리게 가고, 빛은 더 붉어져요. 형식적으로 그 모습은 경계를 결코 넘지 않아요. 가장자리에서 끝없이 멈춰 있죠.

다만 여기서 '끝없이'란 '보이지 않게' 된다는 뜻이에요. 밝기는 지수적으로, 그리고 아주 빠르게 떨어져요. 항성 질량 블랙홀에서는 영상이 수 밀리초 만에 사라지고, 초대질량 블랙홀에서는 수 분 만에 사라져요. 지평선에 갇힌 물질이 만드는 빛나는 껍질은 아무도 본 적 없어요.

외부 관찰자가 보는 추락 물체의 밝기: 단계마다 3배 더 어두워져요.

블랙홀 사진의 주황색 고리도 지평선은 아니에요. 중심의 어두운 점은 반지름 기준으로 지평선보다 약 2,6배 커요. 곁을 지나는 빛이 블랙홀 주위를 휘감아 돌고, 그림자의 가장자리는 이 광학 효과가 결정하죠. 이 모든 것은 일반 상대성 이론의 예측이에요. 양자 효과를 고려하면 지평선에서 무슨 일이 일어나는지는 물리학자들이 지금도 논쟁하고 있어요.

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1분만 더 읽으면 돼요. 마지막에는 퀴즈가 있어요. “우주 → 블랙홀”에서 찾을 수 있어요

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출처

  1. 지평선 크기 - 슈바르츠실트 해(1916). 그림자 사진 - Event Horizon Telescope: M87* (2019), 궁수자리 A* (2022)