🕳️ 블랙홀에 빠지면 정말 국수처럼 늘어질까? 스파게티화 현상의 진실

📑 목차

• 🌌 별이 통째로 삼켜지기도 한다는 걸 알고 나서
• 🍝 스파게티화, 정확히는 '중력의 기울기' 문제
• 🏃 태양질량 10배 블랙홀: 반지름 30km, 마라톤 코스보다 짧은 거리 안에서 결판난다
• 🕳️ 궁수자리 A*: 지평선을 지나도 아무 일도 안 일어난다
• 🔭 진짜 반전: '힐스 질량'을 넘으면 관측조차 안 된다

🌌 별이 통째로 삼켜지기도 한다는 걸 알고 나서

며칠 전에 블랙홀 관련 논문을 뒤적이다가 좀 머쓱해졌다. 나는 지금까지 "블랙홀에 빠지면 무조건 국수처럼 늘어나다 죽는다"고 막연히 생각해왔는데, 실제로는 그렇지 않은 경우가 있다는 걸 처음 알았다. 어떤 블랙홀은 별을 찢어발기지만, 어떤 블랙홀은 별을 통째로 그냥 삼켜버린다. 겉보기엔 둘 다 무섭지만, 물리학적으로는 완전히 다른 사건이다. 이 차이를 만드는 기준에 이름까지 붙어 있다는 걸 알고 나니 재미가 붙었다.

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🍝 스파게티화, 정확히는 '중력의 기울기' 문제

조석력이라는 말이 어렵게 들리지만 사실 원리는 단순하다. 블랙홀에 발부터 떨어진다고 하면, 발은 머리보다 블랙홀에 더 가깝다. 더 가까운 만큼 발이 받는 중력이 머리가 받는 중력보다 세다. 이 힘의 '차이'가 몸을 앞뒤로 잡아당기면서 늘리는 게 블랙홀 스파게티화 현상이다. 그리고 이 차이는 블랙홀까지 거리의 세제곱에 반비례해서 커진다. 거리가 절반으로 줄면 잡아당기는 힘은 8배로 뛴다는 뜻이다.

여기서 재미있는 지점이 나온다. 사건의 지평선 반지름(슈바르츠실트 반지름)은 블랙홀 질량에 비례해서 커지는데, 지평선에서의 조석력은 질량의 제곱에 반비례해서 작아진다. 그러니까 블랙홀이 무거워질수록 지평선 자체는 멀어지는데, 그 지평선에서 느껴지는 잡아당기는 힘은 오히려 훨씬 약해진다. 이 자체는 이미 다큐멘터리에서 많이 다룬 내용이라 새로울 게 없다. 진짜 흥미로운 건 이 차이가 얼마나 극단적으로 벌어지느냐다.

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🏃 태양질량 10배 블랙홀: 반지름 30km, 마라톤 코스보다 짧은 거리 안에서 결판난다

태양 질량 10배짜리 블랙홀의 사건의 지평선 반지름은 계산하면 약 30km, 지름으로는 60km 정도다. 마라톤 풀코스(42.195km)보다 조금 더 긴 거리 안에 사건의 지평선이 다 들어간다는 뜻이다. 이렇게 작은 블랙홀은 별이 지평선 근처에 오기 한참 전부터 이미 갈가리 찢긴다. 지평선을 통과하는 시점이 아니라 그보다 훨씬 앞선 구간에서 이미 죽음이 결정되는 셈이다.

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🕳️ 궁수자리 A*: 지평선을 지나도 아무 일도 안 일어난다

우리 은하 중심의 초대질량 블랙홀 궁수자리 A*는 태양 질량의 약 430만 배다. 슈바르츠실트 반지름 공식(질량 1솔라당 약 2.95km)을 그대로 대입하면 반지름이 약 1270만 km에 달한다. 이걸 감이 잡히게 바꿔보면, 지구에서 달까지 거리(약 38만 4400km)의 33배쯤 되는 거리다. 이렇게 큰 블랙홀은 지평선 근처에서의 조석력이 사람 몸 하나 늘리기에도 턱없이 부족하다. 실제로 이런 규모의 블랙홀이라면 지평선을 넘는 순간 아무런 물리적 이상도 못 느낀 채 그냥 통과하게 된다.

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🔭 진짜 반전: '힐스 질량'을 넘으면 관측조차 안 된다

여기까지는 사실 잘 알려진 내용이다. 내가 진짜 놀란 부분은 다음이다. 1975년 천체물리학자 잭 힐스(Jack Hills)는 태양과 비슷한 별이 블랙홀에 다가갈 때 별이 찢어지는 거리(조석 파괴 반경)와 사건의 지평선 반지름을 비교했다. 블랙홀 질량이 커질수록 지평선 반지름은 질량에 비례해서 커지지만, 조석 파괴 반경은 질량의 세제곱근에 비례해서 훨씬 느리게 커진다. 그 결과 태양 질량 약 1억 배(이른바 '힐스 질량')를 넘는 블랙홀에서는 별이 찢기기도 전에 지평선 안으로 통째로 빨려 들어가 버린다. 즉, 이 경계보다 무거운 블랙홀은 별을 삼켜도 바깥에서는 아무 섬광도 볼 수 없다.

반대로 이 경계보다 가벼운 초대질량 블랙홀에서는 별이 지평선 밖에서 찢기면서 밝은 X선 섬광을 남긴다. 실제로 2014년 관측된 조석파괴사건 ASASSN-14li가 그런 사례로, 태양 질량 수백만 배 수준의 블랙홀이 별을 찢으면서 낸 빛을 지구에서 몇 달에 걸쳐 관측할 수 있었다. 결국 우리가 지금까지 봐온 '블랙홀이 별을 찢어 먹는' 관측 사례들은 전부 이 힐스 질량보다 가벼운 블랙홀에서만 가능했던 셈이다. "더 무거울수록 온화하다"는 말은 맞지만, 그 온화함이 한계를 넘으면 아예 아무것도 보여주지 않는 침묵으로 바뀐다는 게 내가 이번에 새로 알게 된 부분이다.