블랙홀은 뭐든 빨아들이기만 하는 줄 알았다. 나는 그게 블랙홀의 전부인 줄 알았다.
파보니 정반대 모습도 있었다. 블랙홀은 오히려 물질을 우주로 광속에 가깝게 내뿜기도 한다.
이걸 블랙홀 제트라고 부른다. 삼키는 존재가 어떻게 내뿜는지 하나씩 쉽게 풀어봤다. 알고 나니 블랙홀의 인상이 정말 확 달라졌다.
블랙홀 제트가 뭔가
블랙홀 제트는 빛의 99% 속도로 회전축을 따라 뿜어지는 물질 빔이다. 블랙홀 위아래 양쪽으로 길게 뻗는다.
대표적인 게 M87 은하 중심 블랙홀의 제트다. 길이가 약 5000광년, 관측에 따라 8000광년까지 뻗어 있다.
5000광년이면 별과 별 사이를 수천 번 건너뛰는 거리다. 우리 은하 지름이 10만 광년인데, 그 한 조각을 한 줄기 빔이 관통하는 셈이다.
블랙홀 하나가 은하를 가로지르는 빔을 쏜다는 뜻이다. 다 삼킬 것 같은 블랙홀이 이렇게 멀리 뿜어낸다는 게, 나는 처음에 좀 얼떨떨했다.
이 빔은 라디오 전파부터 X선까지 다양한 빛을 낸다. 제트가 주변 가스와 부딪히면 거대한 거품 같은 구조를 만들기도 한다.
삼키는 블랙홀이 어떻게 내뿜을까
제트는 블랙홀 안에서 나오는 게 아니다. 사건의 지평선 바로 바깥에서 만들어진다.
블랙홀 둘레에는 빨려드는 물질이 소용돌이치는 강착원반이 있다. 이 원반이 왜 도는지는 강착원반 이야기에 풀어놨다.
이 물질 전부가 블랙홀로 떨어지진 않는다. 일부는 회전축을 따라 위아래로 튕겨 나간다.
블랙홀은 회전축 방향이 상대적으로 뚫려 있어 그쪽으로 빠져나가기 쉽다. 그래서 제트는 늘 위아래 두 갈래로 나온다.
그러니까 블랙홀이 힘으로 밀어낸다기보다, 빨려드는 소용돌이가 일부를 옆으로 뿜어내는 것이다.
알고 보니 블랙홀은 삼키는 문이면서 동시에 뿜는 분수이기도 했다. 이 반전이 나는 꽤 신기했다.
제트의 재료는 대부분 전자 같은 가벼운 알갱이다. 반대로 궁수자리 A*처럼 조용한 블랙홀은 뚜렷한 제트가 없다.
블랙홀 회전이 곧 제트 발전기다
제트를 밀어내는 진짜 힘은 블랙홀의 회전과 자기장이다. 이걸 블랜드퍼드-즈나이엑 원리라고 부른다.
자석 주위에 철가루가 결을 이루듯, 블랙홀 둘레에도 눈에 안 보이는 자기장 결이 있다. 빠르게 도는 블랙홀은 이 결을 실타래처럼 배배 꼰다.
팽이가 돌면서 실을 감는 모습을 떠올리면 된다. 회전이 자기장을 에너지를 뽑는 통로로 만드는 것이다.
이렇게 꼬인 자기장이 마치 전선처럼 전압을 만든다. 그 힘이 블랙홀의 회전 에너지를 빨아올려 제트로 쏘아 보낸다.
말하자면 블랙홀이 자기 회전을 연료 삼아 돌아가는 거대한 발전기인 셈이다. 나는 이 그림이 참 근사하게 와닿았다.
그래서 회전이 빠른 블랙홀일수록 더 센 제트를 쏜다. 회전이 곧 제트의 힘인 셈이다.
2025년, 제트의 새 동력원이 밝혀졌다
2025년 연구에서 제트의 동력에 한 가지가 더 있다는 게 드러났다. 자기장이 끊어졌다 다시 이어지는 현상이다.
꼬인 자기장 줄이 툭 끊기면서 순간적으로 엄청난 에너지를 쏟아낸다. 이걸 자기 재연결이라고 부른다.
사실 이 현상은 태양 표면에서 폭발을 일으키는 것과 같은 종류다. 블랙홀 둘레에서는 그게 훨씬 격렬하게 일어난다.
그러니까 제트는 회전 발전기 하나만이 아니라, 자기장이 끊고 잇는 폭발까지 함께 밀어내는 것이었다.
찾아보니 오래된 수수께끼가 최근 관측과 계산으로 조금씩 풀리는 중이었다.
블랙홀 제트는 왜 빛보다 빨라 보일까
제트를 관측하면 빛보다 빠르게 움직이는 것처럼 보일 때가 있다. 실제로 빛보다 빠른 건 아니다.
제트가 마침 우리 쪽을 향해 비스듬히 날아오기 때문에 생기는 착시다. 빠르게 다가오는 물체가 실제보다 빨라 보이는 것과 같다.
이 착시 때문에 한때 물리학자들도 잠깐 어리둥절했다고 한다. 알고 보니 각도가 만든 눈속임이었다.
속도 자체는 빛의 99% 언저리로, 빛을 넘지는 않는다. 착시일 뿐 물리 법칙이 깨진 건 아니다.
M87 사진이 어떻게 나왔는지는 M87 첫 사진 이야기에 적어놨다.
블랙홀이 우주에서 가장 무서운 입이면서 가장 센 분수라는 게 이 글에서 제일 남는다. 삼키는 힘과 뿜는 힘이 한 몸이라는 뜻이다.
다음에 블랙홀 그림을 보면 그 위아래로 뻗은 빔이 먼저 눈에 들어올 것 같다. 삼키는 어둠보다 뿜는 빛이 더 오래 기억에 남을 것 같다.
자주 묻는 질문
Q1. 블랙홀 제트가 뭔가
A. 블랙홀 회전축을 따라 양쪽으로 뿜어지는 물질 빔이다. 속도가 빛의 99%에 이르고, M87 제트는 5000광년 넘게 뻗는다.
Q2. 다 삼키는 블랙홀이 어떻게 내뿜나
A. 제트는 블랙홀 안이 아니라 지평선 바로 바깥에서 나온다. 빨려드는 소용돌이 물질의 일부가 회전축으로 튕겨 나가는 것이다.
Q3. 제트를 미는 힘은 뭔가
A. 블랙홀의 회전과 꼬인 자기장이다. 회전 에너지를 자기장이 전압처럼 뽑아올려 제트로 쏘아 보낸다.
Q4. 제트가 빛보다 빠른가
A. 아니다. 우리 쪽으로 비스듬히 날아와 빨라 보이는 착시다. 실제 속도는 빛의 99% 언저리로 빛을 넘지 않는다.
Q5. 제트의 동력은 다 밝혀졌나
A. 회전과 자기장이 기본이고, 2025년에는 자기장이 끊고 이어지는 자기 재연결도 함께 작용한다는 게 밝혀졌다.
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