블랙홀과 퀘이사 : 암흑이 빛으로 변하다

Blackhole

Jul 25. 2025

지난 시간에는 태양의 구조에 대해 자세히 설명하고, 태양이 얼마나 안전하고 효율적으로 지구와 인류에게 혜택을 주고 있는지 소개했습니다(*1). 이번 시간에는 태양을 훨씬 뛰어넘는 천체가 어떤 변화를 겪는지 과학적이고 형이상학적으로 살펴보겠습니다.

형이상학과 과학의 관련성

"형이상학은 '형체 없는 세계의 학문'이기 때문에 형체(물질)에 기반한 과학(형이상학)과는 전혀 다른 것 아니야?" 라고 생각하기에는 다소 이른 감이 있습니다. 형이상학에는 'As above, so below(위에서와 같이 아래에서도)'라는 말이 있습니다(*2). 이것은 대립되는 것(극대와 극소/외부와 내부/상하 등)은 일치한다는 형이상학의 법칙(The Principle of Correspondence)을 나타냅니다.

이것은 '형상이 없는 세계'와 '형상이 있는 세계'는 일치한다는 것을 의미하기도 합니다. 즉 '보이는 세계'를 이해함으로써 '보이지 않는 세계'를 밝혀낼 수 있게 되는 것입니다. 이는 과거 기사에서 다룬 "보이는 별의 움직임을 통해 보이지 않는 다크 매터를 밝혀내거나(*3)", "현재의 전자기파(우주 마이크로파 배경복사)를 통해 137억 년 전 우주의 모습을 밝혀내는(*4)" 과학적 방법론과도 일맥상통합니다.

따라서 '과학'에 관심이 있는 사람도 '형이상학'에 관심이 있는 사람도 '같은 현상을 각기 다른 관점에서 바라보고 있을 뿐'일지도 모릅니다. 그런 관점에서 이번 기사를 읽어보면 재미있을 것 같습니다.

태양과 같은 항성의 종말 형태 : 백색왜성

화제를 태양으로 돌리면, 태양 질량의 8배 정도까지의 항성은 결국 주변에 물질을 방출하여 '행성상 성운'을 만들고, 핵 부분은 '백색왜성(White Dwarf, Figure 3)'이라는 천체가 됩니다(*5). 이것은 마치 항성의 불타고 남은 불씨와 같아서 점차 그 광도가 낮아지고 활력이 떨어지고 있습니다. '늙은 별'이라고 해도 좋을 것 같습니다. 우주에 있는 대부분의 항성들은 이런 경로를 밟고 있습니다.

태양의 8배~30배 정도의 항성의 종말: 중성자별

그리고 태양의 8배~30배 정도의 질량을 가진 항성이 종말을 맞이하게 되면, 자중을 견디지 못한 별은 중력붕괴를 일으켜 대폭발(초신성폭발: Super Nova)을 일으킵니다. 양성자/전자/중성자로 구성되어 있던 원자는 중력을 견디지 못하고 양성자와 전자가 결합하여 모두 중성자로 이루어진 중성자별이 됩니다. 참고로 중성자별의 밀도는 1cm*1cm*1cm 크기의 설탕 한 알 크기로 10억 톤이라는 상상할 수 없는 무게입니다.

태양 질량의 30배 이상의 항성의 종말 형태 : 블랙홀

별이 커져 자중을 견디지 못하면 원자가 구조를 유지하지 못하고 초신성 폭발을 일으키지만, 중력이 더 강하면 중성자 구조마저 붕괴되어 중심부로 더욱 빠져나가게 됩니다. 그 결과 '빛조차 빠져나갈 수 없는 강력한 중력장'이 형성됩니다. 이것이 우리가 잘 알고 있는 "블랙홀(Black Hole)"입니다. 태양 질량의 30배 이상이라고 알려져 있지만, 가장 작은 블랙홀은 태양 질량의 3배 정도부터 존재한다고 알려져 있습니다(*6).

Figure 5는 CG로 만든 이미지인데, 블랙홀은 이렇게 은하들이 흩어져 있는 배경에 어둠이 떠 있는 것처럼 보입니다. 모든 빛을 흡수하기 때문에 블랙홀 너머에 있는 별들의 빛은 이쪽으로 도달하지 못합니다. 그리고 BH 근처를 통과하는 빛도 흡수해 버리기 때문에 실제 크기보다 더 넓은 암흑 공간이 생깁니다.

대질량 블랙홀

그렇다면 태양의 100만 배 이상의 질량을 가진 블랙홀은 어떻게 보일까요? 태양의 100만 배 이상의 질량을 가진 천체는 그리 가까이 있지 않습니다. 최근 발견된 우리 태양계가 속한 은하수 은하(Milky way Galaxy)의 중심인 우리은하 A*(Saggitarius A*)에 존재하는 초대형 블랙홀이 알려져 있습니다(*7, Figure 6). 그 질량은 무려 태양의 370만 배에 달합니다. 이 정도의 거대한 질량이라면 은하계의 별들을 끌어당겨 회전의 중심축과 같은 역할을 합니다.

Figure 6은 이벤트 호라이즌(Event Horizon-Telescope)이라는 글로벌 프로젝트로 촬영한 Eta A의 이미지입니다. 이 중앙의 검게 빠져있는 부분이 블랙홀의 본체 부분입니다. 블랙홀에서 빛이 나오지 않기 때문에 중심부가 도넛 구멍처럼 보입니다. 이 해왕성자리 A의 이미지를 보면 블랙홀 주변에 빛나는 고리가 있습니다. 블랙홀을 둘러싸고 있는 이 고리는 도대체 무엇일까요?

Figure 7에서 볼 수 있듯이 이 고리는 '강착원반(降着円盤, Accretion disk, *8)'이라고 불리는 구조입니다. 블랙홀에 물질이 빨려 들어갈 때, 비유하자면 목욕탕의 수도꼭지를 빼고 물이 흐를 때 소용돌이를 일으키는 것처럼 BH에 빨려 들어가는 물질이 소용돌이를 일으키고, 그 소용돌이가 원반을 형성하게 됩니다.

또한 빨려 들어간 물질은 중심에 가까워질수록 속도가 빨라집니다. 이 물질들은 격렬하게 충돌하면서 물질끼리 마찰을 일으켜 열과 빛을 방출하기 시작합니다. 이것이 거대 블랙홀 주변에서 볼 수 있는 고리 모양의 빛의 정체라고 할 수 있습니다.

태양의 1억 배 이상의 초거대 블랙홀의 변용

기본적으로 블랙홀은 Figure 5와 같이 암흑 상태여야 합니다. 빛조차 빠져나갈 수 없을 정도로 강력한 중력 때문에 블랙홀의 크기 이상으로 주변의 빛도 흡수하게 됩니다. 태양의 1억 배 이상의 질량을 가진 블랙홀을 상상하면 '엄청나게 거대한 어둠'을 상상하게 됩니다.

하지만 실제로 그런 천체가 존재한다면 어떤 모습일까요? 태양의 1억 배 이상의 블랙홀의 주변은 Figure 8과 같이 됩니다. 너무 거대한 중력 때문에 강착원반도 거대해집니다. 그리고 거대한 중력으로 가속된 물질은 충돌과 마찰로 열을 내고, 더욱 격렬하게 운동하면 엄청나게 강력한 빛과 방사선을 내뿜게 됩니다.

원반에서 방출되는 빛은 초거대 중력과 회전하는 원심력에 의해 3차원적인 구조가 됩니다(Figure 8 오른쪽). 그리고 큰 바퀴와 같은 구조로 회전합니다. 이 크기는 별의 수준을 넘어 수직 방향의 빔이 10만 광년(=은하수 은하의 지름) 이상이 될 수도 있는 거대한 구조입니다. 이 거대한 천체를 '퀘이사(Quasar, *9)' 또는 활동은하핵이라고 부릅니다.

Figure 9가 실제 퀘이사의 이미지입니다(*10). 퀘이사는 앞서 말했듯이 실제로는 초거대 질량의 블랙홀입니다. 하지만 사진처럼 겉모습은 밝게 빛나는 별처럼 보입니다. 이 퀘이사는 최근에 발견된 천체로 거리는 120억 광년 떨어진 곳에 있는 것으로 추정됩니다.

그리고 그 밝기는 무려 태양의 500조 배에 달하며, 그 중심에는 태양의 170억 배 질량의 블랙홀이 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 퀘이사의 복사 에너지는 2x10의 41제곱 와트(20×1조×1조×1조×1조×1조×1조 와트)입니다. 이러한 퀘이사는 우주에서 가장 밝게 빛나는 천체로 알려져 있습니다.

결론

• 우리의 태양은 머지않아 백색왜성이 될 것이다.

• 태양의 8~30배 질량의 항성은 중성자별이 된다.

• 태양의 약 30배 이상의 항성은 블랙홀(BH)이 된다.

• 태양의 수십~수백배 무게의 BH는 암흑으로 직접 볼 수 없다.

• 태양의 수백만 배의 BH에서는 주변에 강착원반이 보인다.

• 태양의 수억 배 이상의 BH에서는 거대한 강착원반이 강한 빛을 방출한다.

• 초거대 BH와 주변의 빛을 발산하는 구조는 퀘이사라고 불린다.

• 최신 퀘이사의 밝기는 태양의 500조 배 (!)

• 우주에서 가장 밝은 빛을 발산하는 천체의 중심은 사실 초거대 BH이다.

계속 증가하는 암흑

블랙홀은 기본적으로 모든 물질을 계속 흡수합니다. 그리고 그 질량은 점점 더 커지고, 빛이 빠져나갈 수 없는 범위를 더욱 넓혀갑니다. 블랙홀과 블랙홀이 충돌해도 더 큰 블랙홀이 될 뿐입니다. 우리의 상상 속에서는 블랙홀이 거대해질수록 어둠이 퍼져나가 결국 우주도 블랙홀에 삼켜지는 종말을 생각할 수 있습니다. 하지만 실제로는 어떨까요?

어둠이 빛으로 바뀌다

거대해진 블랙홀 주변에는 빛(강착원반)이 나타나게 됩니다. 암흑의 중력이 더욱 거대해지면 강착원반의 물질에도 속도와 에너지가 부여되어 더 강하게 빛을 발산합니다. 그리고 어둠의 질량보다 더 강력한 빛을 발생시킵니다. 결국 어둠은 빛에 둘러싸여 우주에서 가장 강한 빛을 발산하게 됩니다.

우주에는 균형이 있고, 빛과 어둠의 상호관계는 항상 변동하고 있습니다. 어느 한 쪽만 우주를 지배하는 것은 아닙니다. 빛이 강해지고 우세해지면 어느 순간 어둠이 역전되어 우세해집니다. 그러나 어둠이 우세하고 지배적이 되더라도 그것을 뒤덮는 강력한 빛이 새롭게 만들어집니다. 이는 형태가 있는 자연물리학의 세계나 형태가 없는 형이상학의 세계에서도 같은 법칙이 성립한다고 할 수 있습니다. 모든 상황은 항상 변화하고 있으며, 고정되어 있는 것은 없습니다. 두 세계/두 극성을 잘 인지하고, 물리적 차원의 세계와 형이상학적 세계에 대한 이해를 깊게 하면서 세상에 빛이 들어오는 것을 명상해 봅시다.

저자: Takuma Nomiya 노미야 타쿠마、번역: Minaa Sim 심민아

Profile

Takuma Nomiya 노미야 타쿠마

MD, PhD, Meditation/Metaphysics Guide

의학박사, 명상・형이상학 가이드

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거 중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.