블랙홀은 대체 얼마나 클까, 아니면 얼마나 작을까. 문득 그게 궁금해서 파봤다.
재밌는 건 무엇이든 충분히 꽉 누르면 블랙홀이 된다는 점이다. 심지어 지구도 그렇다.
지구를 구슬만 하게 뭉치면 블랙홀이 된다고 한다. 그 작은 구슬이 여전히 지구만큼 무거운 셈이다.
무슨 얘기인지 하나씩 쉽게 풀어봤다.
블랙홀이 되는 크기가 정해져 있다
어떤 물체든 정해진 크기보다 더 작게 누르면 블랙홀이 된다. 이 경계 크기를 슈바르츠실트 반지름이라고 부른다.
이 크기보다 작아지는 순간, 그 안에서는 빛조차 빠져나오지 못한다. 그게 곧 블랙홀이다.
슈바르츠실트라는 학자가 이 크기를 처음 계산해서 이런 이름이 붙었다. 이 경계 안쪽이 바로 우리가 아는 까만 블랙홀이다.
중요한 건 이 크기가 오직 무게로만 정해진다는 점이다. 무거울수록 이 경계도 커진다.
그러니까 블랙홀의 크기는 그 블랙홀이 얼마나 무거운지로 딱 결정된다. 색이나 재료 같은 건 상관없다.
나도 이 규칙을 알기 전엔 블랙홀이 원래부터 그런 존재인 줄 알았다. 알고 보니 블랙홀이 되는 문턱 크기가 정해져 있었다.
지구를 누르면 구슬만 해진다
지구 전체를 이 경계 크기로 누르면 지름 약 9mm가 된다. 유리구슬이나 포도알 하나 크기다.
지구만 한 덩어리가 손안의 구슬로 줄어든다니 잘 안 믿긴다. 그런데 계산 결과가 그렇다.
태양은 조금 더 크다. 태양을 누르면 지름 약 3km, 작은 도시 하나만 한 블랙홀이 된다.
태양이 지구의 33만 배나 무거운데도 겨우 3km다. 블랙홀이 얼마나 꽉 눌린 존재인지 실감이 났다.
구슬 하나에 지구 전체 무게가 담긴다고 상상하면 좀 아찔하다. 무게는 그대로인데 크기만 극단으로 줄인 셈이다.
재밌는 건 그래도 달은 그대로 지구를 돈다는 점이다. 무게가 안 변했으니 멀리서 느끼는 중력도 그대로다.
사람도 블랙홀이 될 수 있을까
사람 한 명은 약 10의 마이너스 25제곱 미터, 원자핵보다 훨씬 작게 눌러야 블랙홀이 된다. 상상도 못 할 만큼 작은 크기다.
그래서 사람이나 사과 같은 건 자연에서 블랙홀이 될 수 없다. 그렇게 누를 힘이 어디에도 없기 때문이다.
찾아보니 가벼운 것일수록 더 터무니없이 작게 눌러야 했다. 사과 하나도 우주 어떤 힘으로 못 누른다.
가벼울수록 문턱 크기가 더 말도 안 되게 작아지는 것이다.
그래서 자연에서는 아주 무거운 별만 자기 무게로 짜부라져 블랙홀이 된다. 무게가 곧 압축하는 힘이라서 그렇다.
아주 작은 블랙홀은 별의 죽음 말고 다른 방법이 필요하다. 빅뱅 직후 같은 특수한 상황이 아니면 못 만든다.
블랙홀 크기는 오직 무게로 정해진다
궁수자리 A*는 경계 지름이 약 2400만 km로, 수성 궤도 안에 들어갈 크기다. 무거운 만큼 경계도 커지기 때문이다.
블랙홀은 무거울수록 크고, 가벼울수록 작다. 아주 단순한 규칙이다.
무게만 알면 블랙홀 크기를 바로 계산할 수 있다. 이렇게 단순한 규칙이라는 게 나는 오히려 신기했다.
| 무엇을 누르면 | 블랙홀 크기 |
|---|---|
| 사람 한 명 | 원자핵보다 훨씬 작음 |
| 지구 | 약 9mm (구슬) |
| 태양 | 약 3km (작은 도시) |
| 거대 블랙홀 | 태양계 규모까지 |
가장 무거운 블랙홀이 궁금하면 태양 660억 배 블랙홀 이야기에 적어놨다.
반전, 거대 블랙홀은 의외로 밀도가 낮다
블랙홀 하면 무조건 밀도가 어마어마할 것 같다. 작은 별 블랙홀은 실제로 그렇다.
그런데 아주 무거운 블랙홀은 반대다. 무게가 늘어난 것보다 크기가 훨씬 더 빨리 커지기 때문이다.
경계 크기는 무게에 비례하는데, 부피는 그 크기의 세제곱으로 늘어난다. 그래서 커질수록 속이 헐거워진다.
초대질량 블랙홀 중에는 평균 밀도가 물이나 공기보다 낮은 것도 있다. 물보다 가벼운 블랙홀이라니 나는 처음에 좀 놀랐다.
그런데 계산을 따라가 보면 정말 그렇게 나온다. 블랙홀이라고 다 빽빽한 게 아니라는 뜻이다.
작은 별 블랙홀은 각설탕만 한 부피에 산 하나 무게가 들어찬 꼴이다. 반대로 거대 블랙홀은 그 무게가 넓게 퍼져 헐겁다.
크기와 밀도가 따로 논다는 이 사실이 나한테는 오래 맴돌며 와닿았다.
블랙홀이 작고 빽빽하기만 한 게 아니라는 걸 알고 나니 인상이 좀 바뀌었다. 무게라는 하나의 숫자가 이렇게 많은 걸 정한다는 게 인상 깊었다.
블랙홀의 크기와 밀도를 헷갈리면 안 된다는 것도 이번에 새로 배웠다.
다음에 블랙홀 그림을 보면 그 크기가 무게 이야기로 읽힐 것 같다.
자주 묻는 질문
Q1. 지구를 블랙홀로 만들면 얼마나 작아지나
A. 지름 약 9mm, 유리구슬이나 포도알 하나 크기가 된다. 그보다 작게 눌러야 블랙홀이 되기 때문이다.
Q2. 블랙홀 크기는 무엇으로 정해지나
A. 오직 무게다. 무거울수록 경계 크기(슈바르츠실트 반지름)가 커진다. 재료나 색은 상관없다.
Q3. 사람도 블랙홀이 될 수 있나
A. 이론상 원자핵보다 훨씬 작게 눌러야 한다. 그럴 힘이 없어서 사람이나 물건은 자연에서 블랙홀이 못 된다.
Q4. 태양은 블랙홀이 되면 얼마나 큰가
A. 지름 약 3km, 작은 도시 하나만 하다. 태양이 지구의 33만 배 무거운데도 이 정도로 작다.
Q5. 블랙홀은 밀도가 무조건 높은가
A. 작은 블랙홀은 그렇지만, 아주 무거운 블랙홀은 부피가 훨씬 빨리 커져서 평균 밀도가 물보다 낮은 경우도 있다.
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